Chemogenomische Analyse der Fusarium Toxin Resistenz

Die Belastung der wichtigen Agrarerzeugnisse Weizen, Gerste und Mais mit dem Trichothecen Mykotoxin Deoxynivalenol (DON), durch Infektion mit Fusariumpilzen, besonders Fusarium graminearum, ist ein weltweites Problem. DON ist ein wichtiger Virulenzfaktor für F. graminearum und wird während der Infektion des Wirtsgewebes produziert. Mutanten des Pilzes, die in der Giftstoffproduktion defekt sind, haben reduzierte Virulenz. Strategien um die F. graminearum Belastung zu verringern zielen darauf ab, die Resistenz der Kulturpflanzen gegen das Toxin zu erhöhen. Jedoch sind die zellulären Effekte dieser Giftstoffe auf eukaryotische Zellen noch nicht völlig verstanden. Der Haupteffekt von Trichothecenen ist die Hemmung der Proteinsynthese. Genetische und anderere Beobachtungen lassen weitere schädliche Effekte auf Zellen vermuten. Das Verständnis der verschiedenen Effekte ist jedoch die Grundlage für zukünftige erfolgreiche Intervention. Hier versuchen wir den zellulären Effekten der Trichothecene durch die Kombination von chemogenomischen Analysen mit Genexpressionstudien auf die Spur zu kommen. Die Hefe Saccharomyces cerevisiae ist der einzige Eukaryot der solchen Analysestrategien zugänglich ist. Um die genetisch determinierten Unterschiede systematisch zu erforschen, messen wir den Effekt des Toxins auf das Wachstum einer Sammlung von 5600 Hefedeletionsstämmen. Wir werde die Stämme durch zusätzliches Eliminieren eines ABC-Transportergens verändern und dadurch die Analyse mit niedrigen Toxinmengen erleichtern. Weiters erstellen wir Genexpressionsprofile von Toxin behandelten Zellen. Die Integration der Daten von beiden Analysen macht die wichtigsten zellulären Prozesse deutlich, die durch das Toxin beeinflußt werden. Ein früherer Screen ergab, daß PAA Zellen vor DON schützt. Wir wenden diese Erkenntnisse weiter an, um die Wirkungsweise von Phenylessigsäure (PAA) zu untersuchen, welcher die Giftigkeit von DON teilweise hemmt. Wir verwenden chemogenetische und Expressionsprofile von DON und PAA behandelten Zellen, um heruszufinden wie PAA wirkt. Mit diesen Informationen können wir effektivere genetische Strategien planen um Pflanzenzellen resistenter gegen DON und F. graminearum zu machen und um wiederum die Belastung durch DON zu reduzieren.

Chemogenomische Analyse der Resistenzmechanisme der Hefe Saccharomyces cerevisiae gegen das Fusariumtoxin Deoxynivalenol (DON).Hintergrund: Die Belastung der wichtigen Agrarerzeugnisse Weizen, Gerste und Mais mit dem Mykotoxin Deoxynivalenol (DON), durch Infektion mit Fusariumpilzen, ist ein weltweites Problem und tritt auch in Österreich immer wieder auf (zb 2014). Je nach Witterung ist die Belastung von Jahr zu Jahr unterschiedlich. Das Pilzgift ist ein wichtiger Virulenzfaktor und wird während der Infektion der Feldfrüchte produziert und kommt so in die Nahrung. Strategien um die Belastung zu verringern zielen darauf ab, die Resistenz der Kulturpflanzen gegen das Toxin zu erhöhen. Jedoch sind die direkten und indirekten zellulären Effekte dieser Giftstoffe auf Zellen noch nicht völlig verstanden. Ergebnisse: Wir haben die Bäckerhefe als Modell verwendet um die Reaktion einer einfachen Zelle auf das Pilzgift DON durch systematische Genetik und Genexpression zu erforschen. Systematische genetische Analyse sucht die Eigenschaften einer möglichst vollständigen Sammlung an Mutanten zu analysieren. Nur mit Hefe kann das derzeit aussagekräftig gemacht werden. Das Pilzgift DON setzt die Proteinsynthese herab, was schon lange bekannt ist. Unsere Resultate zeigen einen eindeutigen primären Ort der Wirkung am Ribosom und bei der Proteinsynthese, die jedoch auch auf sehr indirekte Weise zustande kommen kann. Unsere Genexpressionsstudie zeigt, dass die Zellen versuchen die Produktion von Ribosomen anzukurbeln, aber sonst wenig andere Effekte auf die Physiologie. Das bedeutet, dass die Hefezellen lediglich die reduzierte Proteinexpression wahrnehmen. Wir konnten die Resistenz der Hefezellen durch die Überexpression eines Gens, das in der Qualitätskontrolle der Proteinsynthese eine wichtige Rolle spielt, steigern. Schlussfolgerungen: Wir sehen hier zu ersten Mal wie Zellen, die mit DON konfrontiert sind, versuchen Proteinsynthese entsprechend des möglichen Wachstums zu optimieren. Die vielen grundlegenden Komponenten, die zur Proteinsynthese und dadurch auch zur DON Resistenz beitragen, können auf Kulturpflanzen übertragen werden. Tatsächlich haben sich aus unseren Ergebnissen mögliche Schlüsse für Resistenzmechanismen eines wichtigen Resistenzlokus aus Weizen ergeben.