Räuberische Pilze mit Anwendungspotenzial

Abstract

Nematode-trapping fungi, such as Duddingtonia flagrans , are fascinating carnivorous microorganisms. In a nutrient-rich environment they live as saprotrophs, but if nutrients are scarce and in the presence of nematodes, they can switch to a predatory lifestyle. The switch is characterized by the formation of complex, adhesive trap structures. The interaction requires a sophisticated interspecies communication with pheromones, secondary metabolites, and virulence factors.

Full text

686 WISSENSCHAFT
BIOspektrum | 07.21 | 27. Jahrgang
Nematoden Schädlinge von Tieren oder
Pfl anzen sind, haben NFP ein großes Poten-
zial als biologische Schädlingsbekämpfungs-
mittel [2]. D. fl agrans bildet resistente Chla-
mydosporen, die sehr gut für die Anwendung
der Pilze geeignet sind, und wurde bereits
erfolgreich in Feldversuchen mit Nutztieren
eingesetzt (Abb. 1, [3]). D. fl agrans ist auch
eng mit Pfl anzenwurzeln assoziiert und ver-
bessert deren Versorgung mit Phosphat,
sodass dieser Pilz auch Potenzial zur nach-
haltigen Produktion von Lebens- und Futter-
mitteln hat [4]. Neben dem großen Anwen-
dungspotenzial ist D. fl agrans ein attraktives
Modellsystem, um verschiedene biologische
Phänomene auf molekularer, zellbiologischer
oder biochemischer Ebene zu untersuchen.
Pilz-Fadenwurm-Kommunikation
durch fl üchtige Substanzen
Die Interaktion zwischen NFP und Nemato-
den gilt als evolutionäre Anpassung an eine
stickstoffarme Umgebung und geht auf eine
über 419 Millionen Jahre andauernde Ko-
Evolution zurück, in der sich eine ausgepräg-
te Interspezies-Kommunikation entwickelt
hat [5]. Die Pilze locken ihre Beute mit fl üch-
tigen Stoffen in die Fallen, die für die Nema-
toden nach Paarungs- und Nahrungssignalen
riechen. Nematodeneigene Pheromone, die
Ascaroside, die Prozesse wie die Entwicklung
der verschiedenen Larvenformen steuern,
werden wiederum von den Pilzen wahrge-
nommen [6, 7].
Regulation der Fallenbildung durch
pilzliche Sekundärmetabolite und
nematodeneigene Pheromone
Eine interessante Frage betrifft die Regula-
tion der Fallenbildung. Voraussetzung zur
Einleitung des Entwicklungsprogramms ist
eine Limitierung der Nährstoffe, und zusätz-
lich müssen Nematoden vorhanden sein. Die
Fallenbildung sollte allerdings erst ab einer
bestimmten Anzahl von Nematoden initiiert
werden, damit die Fallen, die einige Stunden
nach dem Kontakt mit den Nematoden gebil-
det wurden, auch erfolgreich eingesetzt wer-
VALENTIN WERNET, NICOLE WERNET, REINHARD FISCHER
INSTITUT FÜR ANGEWANDTE BIOWISSENSCHAFTEN, KARLSRUHER INSTITUT FÜR
TECHNOLOGIE (KIT)
Nematode-trapping fungi, such as
Duddingtonia fl agrans
, are fascina-
ting carnivorous microorganisms. In a nutrient-rich environment they
live as saprotrophs, but if nutrients are scarce and in the presence of
nematodes, they can switch to a predatory lifestyle. The switch is
characterized by the formation of complex, adhesive trap structures.
The interaction requires a sophisticated interspecies communication
with pheromones, secondary metabolites, and virulence factors.
DOI: 10.1007/s12268-021-1668-3
© Die Autorinnen und Autoren 2021
ó Nematodenfangende Pilze (NFP) wie
Dudding tonia fl agrans sind eine besonders
faszinierende Gruppe karnivorer Mikroorga-
nismen. In einer nährstoffreichen Umgebung
ernähren sie sich von totem, organischem
Material. Sind die Nährstoffe jedoch limitiert
und befi nden sich Nematoden in der Nähe,
können die Pilze zu einem räuberischen
Lebensstil wechseln, der durch die Ausbil-
dung komplexer, klebriger Fallenstrukturen
gekennzeichnet ist. Die Interaktion der bei-
den Organismen beruht auf einer ausge-
klügelten Interspezies-Kommunikation mit
Phero monen, Sekundärmetaboliten und
Virulenz faktoren.
Der erste nematodenfangende Pilz Arthro-
botrys superba wurde bereits 1839 beschrie-
ben, wobei die Fähigkeit, Nematoden zu fan-
gen, jedoch erst 36 Jahre später von Wilhelm
Zopf entdeckt und 1994 von Donald H. Pfi ster
mit der Gattung Orbilia in Verbindung
gebracht wurde [1]. Da eine Vielzahl von
Interspezies-Kommunikation
Räuberische Pilze mit
Anwendungspotenzial
¯ Abb. 1: Anwendung von
Duddingtonia
fl agrans
in der Tierhaltung. Die Pilzsporen kei-
men auf dem Dung aus und reduzieren dort die
Zahl der Nematoden (
Caenorhabditis elegans
)
wie in den Bildern unten gezeigt. Dadurch wird
die Reinfektion beim Grasen reduziert. Bild
oben: Freepik.com; Bilder unten aus [13].
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des Zelldialogmodells beschrieben wurde.
Hier fungieren die mitogenaktivierte Pro-
teinkinase (MAPK) MAK-2, sowie das Soft-
Protein als Vermittler des Zelldialogs, indem
sie abwechselnd an die Plasmamembran der
Hyphenspitzen lokalisieren [10]. So wech-
seln die Hyphen koordiniert den Zustand
zwischen Signalsender und Empfänger. Eine
Besonderheit der Fallenbildung von NFP
liegt darin, dass die interagierenden Kompar-
timente im Gegensatz zur Keimlingsfusion
nur vier bis fünf Hyphensegmente voneinan-
der entfernt sind. Die Pilze müssen somit die
intrazelluläre Selbststimulation durch die
gleichzeitige Generierung und Wahrneh-
mung chemotroper Signale verhindern. Tat-
sächlich ist das Zellkommunikationsmodell
in D. fl agrans konserviert (Abb. 3). Intra-
zellulär wird der evolutionär konservierte
STRIPAK-Signalkomplex für die Signalver-
arbeitung benötigt (Abb. 3, [11, 12]). Wie die
Zell-Zell-Kommunikation und intrazelluläre
Signalverarbeitung mit dem Cytoskelett, das
letztlich die Ringbildung und den Ringschluss
bewirkt, verbunden ist, ist noch nicht geklärt.
Intermediat, 6-Methylsalicylsäure (6-MSA),
entsteht. Dieses Molekül dient als Lockstoff
für Caenorhabditis elegans [7]. Methylsalicyl-
säure ist ein wichtiges Pheromon in Pilz-
Pfl anze-Interaktionen. Allerdings handelt es
sich hier um einen Methylester von Salicyl-
säure (Shikimatweg), während D. fl agrans
6-MSA über den Polyketidweg produziert.
Perfekte Krümmung: Wie wird ein
Ring gebildet?
Die Fallenbildung stellt eine zellbiologisch
komplexe morphologische Veränderung dar,
an der verschiedene Signalwege sowie das
Cytoskelett beteiligt sind. Die Fallenringe
entstehen durch die Abzweigung einer vege-
tativen Hyphe, die sich während des Wachs-
tums krümmt, um mit der ursprünglichen
Hyphe zu fusionieren. Schon vor physischem
Kontakt zwischen den beiden Hyphen ent-
steht von der basalen Hyphe ausgehend eine
weitere Hyphe, die der ersten entgegen-
wächst. Dies deutet auf eine interzelluläre
Kommunikation hin, wie sie bei der Keim-
lingsfusion von Neurospora crassa anhand
den können. Die Nematoden, die zuerst mit
dem Myzel in Kontakt kamen, sind dann
wahrscheinlich in der Umgebung verschwun-
den. Zur zeitlichen und räumlichen Steue-
rung der Fallenbildung werden pilzliche
Sekundärmetabolite und die oben genannten
Ascaroside eingesetzt [8, 9]. D. fl agrans nutzt
eine Polyketidsynthase zusammen mit eini-
gen modifi zierenden Enzymen zur Bildung
von Arthrosporol, was die Fallenbildung
unterdrückt [7]. Wenn eine große Anzahl
Nematoden vorhanden ist, steigt die Ascaro-
sidkonzentration über einen Schwellenwert
und hemmt die Arthrosporolsynthese – d. h.
die Fallenbildung wird durch die Hemmung
eines negativen Faktors eingeleitet. Da
sowohl Arthrosporol als auch Ascaroside
konzentrationsabhängig wirken, ist damit
eine Populationsdichtebestimmung möglich
(Abb. 2).
Kürzlich wurde ein weiterer Level an Kom-
plexität entschlüsselt und gezeigt, dass nicht
in allen Bereichen des Myzels der komplette
Arthrosporolbiosyntheseweg abläuft, son-
dern in den Hyphenspitzen nur das erste
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Pilzattacke benötigt lytische Enzyme
und kleine, sekretierte Proteine
Nach der Fallenbildung kommt es zur Adhä-
sion und Penetration der Fadenwürmer,
wozu Druck und lytische Enzyme nötig sind.
Darüber hinaus spielen aber vermutlich
Virulenzfaktoren eine Rolle, die in vielen
Wirts-Pathogen-Interaktionen beschrieben
wurden. Sie manipulieren beispielsweise das
Immunsystem, verhindern die Erkennung
des Pathogens durch den Wirt oder könnten
im Falle von NFP an der Aufl ösung des Zell-
verbands oder der Paralyse beteiligt sein.
Tatsächlich codiert das D. fl agrans Genom
638 Proteine (6,4 %) mit einem N-terminalen
Signalpeptid für die Sekretion. Davon waren
249 kleiner als 300 Aminosäuren, gehören
also zu den small secreted proteins (SSPs), die
häufi g mit Virulenz in Verbindung gebracht
werden [13]. Mit dem cysteinreichen Protein,
CyrA, wurde ein erster potenzieller Virulenz-
faktor charakterisiert [14]. Das CyrA-Protein
lokalisierte vor allem im Infektionsbulbus,
einer von der pilzlichen Infektionshyphe aus-
gebildeten Struktur im inneren der Nemato-
den (Abb. 3). Der cyrA-Deletionsstamm zeig-
te eine verringerte Virulenz, gemessen an
der Zeit, die der Pilz benötigt, um die Faden-
würmer zu paralysieren. Die Expression des
pilzlichen Gens in C. elegans verringerte die
Lebensdauer der Nematoden. CyrA ist somit
vermutlich als eines von vielen Proteinen an
der Virulenz von D. fl agrans beteiligt. Um
eine verhältnismäßig große Beute wie einen
Fadenwurm zu „erlegen“, bedarf es jedoch
˚ Abb. 3: Zellbiologie der Fallenbildung und der Penetration. Oben: Eine Zell-Zell-Kommunikation
mittels des SofT-Proteins und der STRIPAK-Komponente SipC ist für den Ringschluß nötig. Die
Zellwände sind mit Calcofl uor White (CFW) gefärbt. Unten: Der Virulenzfaktor CyrA lokalisiert in
leeren Fallen in vesikelartigen Strukturen an der Falleninnenseite (links) und akkumuliert nach
Eindringen der Hyphen in den Fadenwurm am Infektionsbulbus (Mitte und rechts). Die Zellwände
des Pilzes (links) sind mit Calcofl uor blau und die Zellkerne des Fadenwurms (Mitte und rechts)
mit GFP grün gefärbt. Bilder entnommen aus [11, 14].
¯ Abb. 2: Regulation der Fallenbildung. Der
pilzliche Sekundärmetabolit Arthrosporol
hemmt die Fallenbildung. Die Ascaroside
(
Cae-
norhabitis elegans
-Pheromone) unterdrücken
die Arthrosporolbildung. Hyphenspitzen expri-
mieren nur die Polyketidsynthase, ArtA, sodass
6-MSA gebildet wird. 6-MSA ist ein Lockstoff für
C. elegans
. Die hinteren Kompartimente bilden
auch die anderen Enzyme, sodass 6-MSA zu
Arthrosporol umgesetzt wird. So werden Fallen
nur gebildet, wenn genügend Nematoden und
somit eine hohe Konzentration von Ascarosiden
in der Umgebung vorhanden sind. Für die Fal-
lenbildung ist die Krümmung der Hyphe mithilfe
des Cytoskeletts notwendig, sodass der Ring-
schluss durch Fusion mit der ursprünglichen
Hyphe stattfi nden kann. Die Expression der
Gene (GOI =
gene of interest
) wurde durch
einen Promotor-Reporter-Assay mittels mCherry
untersucht. mCherry ist durch die Histon-
2B(H2B)-Sequenz mit einem Kernlokalisierungs-
signal fusioniert, sodass das Protein (mCherry)
die Zellkerne rot färbt, wenn der Promotor aktiv
ist. Bilder entnommen aus [7]. Maßstab: 20 μm.
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offensichtlich eines Zusammenspiels vieler
Pro teine. Man darf gespannt sein, welche
weiteren Erkenntnisse aus dieser Räuber-
Beute-Beziehung gewonnen werden kön-
nen. ó
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Institut für Angewandte Biowissenschaften
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Reinhard.fi scher@kit.edu
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Valentin Wernet
2011–2017 Biologiestudium am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 2018–2021 Promotion
unter Anleitung von Prof. Fischer. Seit August 2021 Postdoc in der gleichen Gruppe.
Nicole Wernet
2012–2015 Biologiestudium (Bachelor), Universität Marburg. 2015–2018 Masterstudium am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 2018–2021 Promotion unter Anleitung von Prof. Dr. R.
Fischer. Seit August 2021 Postdoc in der gleichen Gruppe.
Reinhard Fischer
Biologiestudium und Promotion in Mikrobiologie. Anschließend Postdoc, Universität Marburg und
Uni versity of Georgia, USA. 1994–2004 Research Associate, Universität Marburg und MPI für ter-
restrische Mikrobiologie, Marburg. 1998 Habilitation. Seit 2004 Professor für Mikrobiologie, Insti-
tut für Angewandte Biowissenschaften, KIT. Weitere Arbeitsgebiete: Zellbiologie von Aspergillus
nidulans, Phytochromantwort in A. nidulans und Alternaria alternata, Sekundärmetabolismus i n A.
alternata.
Valentin Wernet, Nicole Wernet und Reinhard Fischer (v.l.n.r.)
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