- Maisbrand Ustilago maydis erregt bei Mais Tumore - Jan Schirawski
Während ein guter Marillenbrand von Landwirten und Obstbauern geschätzt wird, gilt der Maisbrand weiterhin als verpönt: Der Maisbranderreger Ustilago maydis erregt wie alle Brandpilze und Rostpilze die Gemüter von Gärtnern und Landwirten; besonders in der Landwirtschaft erregt der Maisbranderreger beim Mais in den oberirdischen Pflanzenteilen große Tumore und sorgt weltweit durch den Ernteverlust für landwirtschaftliche Schäden. In höchster Erregung erforschen deshalb die Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI), wie der Maisbeulenbranderreger die Immunabwehr der Maispflanze unterdrückt. Der Brandpilz U. maydis sondert bei der Infektion wie Bakterien, Fadenwürmer und Viren einen Virulenzfaktor ab – den Protein-Effektor Cmu1. Cmu1 ist ein Biokatalysator (Enzym) und unterdrückt die Immunabwehr des Planzenhormons Salicylsäure. Prof. Dr. Regine Kahmann vom MPI-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg erklärte am 6. Oktober 2011: "Cmu1 lenkt den Shikimisäureweg der Pflanze so um, dass die Zellen weniger Salizylsäure produzieren. Das Enzym greift also direkt in den Stoffwechsel der Pflanze ein und untergräbt ihre Erregerabwehr."
Bakterien, Pilze und Viren besitzen Virulenzfaktoren
Als Virulenz bezeichnet man die Potenz von Bakterien, Pilzen und Viren, Pflanzen und Tiere krank zu machen. Krankheitserregende Mikroorganismen (Pathogene) oder Grippe-Viren besitzen zum Beispiel den Virulenzfaktor Hämagglutinin – EHEC-Bakterien und Salmonellen dagegen das Typ-III-Sekretionssystem (T3SS). Salmonellen kommen nicht nur im Darm des Menschen vor. Wie das pflanzenpathogene Bakterium Pseudomonas syringae kommen Salmonellen auch auf Pflanzen vor. P. syringae injiziert mit dem T3SS-System so genannte Effektor-Proteine in die Pflanzenzellen und infiziert so zum Beispiel Arabidopsis und Tomaten. Der Maisbranderreger Ustilago maydis benutzt dagegen wie andere phytopathogene Pilze so genannte Appressorien oder Penetrationshyphen.
Maisbranderreger Ustilago bildet auf Mais Appressorien und Virulenzfaktoren
Pilze gehören zu den Thallophyten, ihr so genannter Thallus oder Vegetationskörper besteht aus fadenförmigen Hyphen: Auf der Oberfläche des pflanzlichen Wirtes bildet Ustilago ein Haftorgan namens Appressorium und einen Haufen Virulenzfaktoren. Die Penetrationshyphen penetrieren dabei mit hohen Druck junge Pflanzenzellen und wachsen intrazellulär innerhalb der Maisepidermis mit Hyphen weiter. Total penetrant bildet Ustilago nach der Penetration noch Virulenzfaktoren, um die Infektion zu unterstützen und die Immunabwehr der Maispflanze zu unterlaufen. Über 300 potentielle Virulenzfaktoren sind durch eine Protein-Analyse bekannt – allerdings ist die Funktion dieser möglicherweise virulenten Proteine weitgehend unbekannt. Allerdings weiß man jetzt, wie der Protein-Effektor Cmu1 funktioniert.
Maisbrandstifter Ustilago stiftet dem Mais eine Chorisminsäure-Mutase
Fressen gierige Insektenraupen an Blättern herum, produziert die Pflanze Ackerschmalwand das Wundhormon Jasmonat (Jasmonsäure). Saugen penetrante Blattläuse an Arabidopsis thaliana, produziert die Pflanze dagegen das Phytohormon Salicylsäure. Salicylsäure (Salicylat) ist die Urform der Acetyl-Salicylsäure im Aspirin. Pflanzen wie der Mais produzieren Salicylsäure zur Abwehr von Pathogenen wie Ustilago. Deshalb stiftet der Maisbrandstifter dem Mais den Effektor Cmu1 – das Enzym Cmu1 ist eine Chorisminsäure-Mutase und behindert die Synthese von Salicylsäure: Die Schlüsselenzyme bei der Herstellung von Salicylaten in der Pflanze sind ICS (Iso-Chorismat-Synthase) und PAL (Phenylalanin-Ammonium-Lyase).
Statt Salicylsäure synthetisiert Mais die Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin
Damit der Maisbrandstifter nach der Infektion nicht wieder stiften gehen muss, schwächt er einfach die Immunantwort ab. In Anwesenheit des Enzyms Chorisminsäure-Mutase verringert sich die Produktion des Abwehrstoffs Salicylsäure – stattdessen produziert der Mais die beiden Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin. Die beiden Erstautoren Kerstin Schipper und Armin Djamei erläutern: "Cmu1 ist aber nur eines von vielen Proteinen, mit denen der Pilz die Pflanze traktiert. Er verfolgt also sicher noch andere Strategien, um die Pflanzenabwehr zu überwinden." Im Erbgut des Maisbrandstifters Ustilago befinden sich noch zwei weitere Gene, die enzymatisch die Immunantwort der Salicylsäure abschwächen können.
Fadenwürmer und fadenförmige Pilzhyphen produzieren Chorismat-Mutase
Nicht nur der Maisbeulenbranderreger verwendet diesen biochemischen Trick um die Pflanzenabwehr zu überwinden. Voller Anmut produzieren auch einige Fadenwürmer (Nematoden) eine Chorismat-Mutase, um die Immunantwort zu verhindern. Prof. Kahmann resümiert: "Offenbar überlisten auch viele andere Mikroorganismen aus dieser Gruppe Pflanzen auf diese Weise. Wenn wir verhindern, dass Krankheitserreger den Pflanzenstoffwechsel mit ihren Chorisminsäure-Mutasen manipulieren, hätten wir möglicherweise einen wirkungsvollen neuen Ansatz, um Ernteausfälle in der Landwirtschaft zu verringern."
Weitere Informationen & Literatur
Armin Djamei, Kerstin Schipper, Franziska Rabe, Anupama Ghosh, Volker Vincon, Jörg Kahnt, Sonia Osorio, Takayuki Tohge, Alisdair R. Fernie, Ivo Feussner, Kirstin Feussner, Peter Meinicke, York-Dieter Stierhof, Heinz Schwarz, Boris Macek, Matthias Mann und Regine Kahmann (2011): Metabolic priming by a secreted fungal effector. Nature; (DOI: 10.1038/nature10454).
Jeri D. Barak, Lara C. Kramer und Ling-yun Hao: (2011): Colonization of Tomato Plants by Salmonella enterica Is Cultivar Dependent, and Type 1 Trichomes Are Preferred Colonization Sites. Applied and Environmental Microbiology; Volume 77, Nummer 2, Seite 498 bis 504 (DOI: 10.1128/AEM.01661-10).
Dr. Gerald Albach - Schreiben macht Spaß: mit Licht und mit Worten! Damit ich weiß, worüber ich schreibe, habe ich als Diplom-Biologe in der ...
