Räuberische Pilze mit Anwendungspotenzial

686 W I S S EN S CH AFT Interspezies-Kommunikation Räuberische Pilze mit Anwendungspotenzial VALENTIN WERNET, NICOLE WERNET, REINHARD FISCHER INSTITUT FÜR ANGEWANDTE BIOWISSENSCHAFTEN, KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE (KIT) 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. DOI: 10.1007/s12268-021-1668-3 © Die Autorinnen und Autoren 2021 ó Nematodenfangende Pilze (NFP) wie Duddingtonia flagrans sind eine besonders faszinierende Gruppe karnivorer Mikroorganismen. In einer nährstoffreichen Umgebung ernähren sie sich von totem, organischem Material. Sind die Nährstoffe jedoch limitiert und befinden sich Nematoden in der Nähe, können die Pilze zu einem räuberischen Lebensstil wechseln, der durch die Ausbildung komplexer, klebriger Fallenstrukturen gekennzeichnet ist. Die Interaktion der beiden Organismen beruht auf einer ausgeklügelten Interspezies-Kommunikation mit Phero monen, Sekundärmetaboliten und Virulenzfaktoren. Der erste nematodenfangende Pilz Arthrobotrys superba wurde bereits 1839 beschrieben, wobei die Fähigkeit, Nematoden zu fangen, jedoch erst 36 Jahre später von Wilhelm Zopf entdeckt und 1994 von Donald H. Pfister mit der Gattung Orbilia in Verbindung gebracht wurde [1]. Da eine Vielzahl von ¯ Abb. 1: Anwendung von Duddingtonia flagrans in der Tierhaltung. Die Pilzsporen keimen 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]. Nematoden Schädlinge von Tieren oder Pflanzen sind, haben NFP ein großes Potenzial als biologische Schädlingsbekämpfungsmittel [2]. D. flagrans bildet resistente Chlamydosporen, die sehr gut für die Anwendung der Pilze geeignet sind, und wurde bereits erfolgreich in Feldversuchen mit Nutztieren eingesetzt (Abb. 1, [3]). D. flagrans ist auch eng mit Pflanzenwurzeln assoziiert und verbessert deren Versorgung mit Phosphat, sodass dieser Pilz auch Potenzial zur nachhaltigen Produktion von Lebens- und Futtermitteln hat [4]. Neben dem großen Anwendungspotenzial ist D. flagrans ein attraktives Modellsystem, um verschiedene biologische Phänomene auf molekularer, zellbiologischer oder biochemischer Ebene zu untersuchen. Pilz-Fadenwurm-Kommunikation durch flüchtige Substanzen Die Interaktion zwischen NFP und Nematoden gilt als evolutionäre Anpassung an eine stickstoffarme Umgebung und geht auf eine über 419 Millionen Jahre andauernde KoEvolution zurück, in der sich eine ausgeprägte Interspezies-Kommunikation entwickelt hat [5]. Die Pilze locken ihre Beute mit flüchtigen Stoffen in die Fallen, die für die Nematoden nach Paarungs- und Nahrungssignalen riechen. Nematodeneigene Pheromone, die Ascaroside, die Prozesse wie die Entwicklung der verschiedenen Larvenformen steuern, werden wiederum von den Pilzen wahrgenommen [6, 7]. Regulation der Fallenbildung durch pilzliche Sekundärmetabolite und nematodeneigene Pheromone Eine interessante Frage betrifft die Regulation der Fallenbildung. Voraussetzung zur Einleitung des Entwicklungsprogramms ist eine Limitierung der Nährstoffe, und zusätzlich 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 gebildet wurden, auch erfolgreich eingesetzt werBIOspektrum | 07.21 | 27. Jahrgang 687 den können. Die Nematoden, die zuerst mit dem Myzel in Kontakt kamen, sind dann wahrscheinlich in der Umgebung verschwunden. Zur zeitlichen und räumlichen Steuerung der Fallenbildung werden pilzliche Sekundärmetabolite und die oben genannten Ascaroside eingesetzt [8, 9]. D. flagrans nutzt eine Polyketidsynthase zusammen mit einigen modifizierenden Enzymen zur Bildung von Arthrosporol, was die Fallenbildung unterdrückt [7]. Wenn eine große Anzahl Nematoden vorhanden ist, steigt die Ascarosidkonzentration 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 Komplexität entschlüsselt und gezeigt, dass nicht in allen Bereichen des Myzels der komplette Arthrosporolbiosyntheseweg abläuft, sondern in den Hyphenspitzen nur das erste BIOspektrum | 07.21 | 27. Jahrgang Intermediat, 6-Methylsalicylsäure (6-MSA), entsteht. Dieses Molekül dient als Lockstoff für Caenorhabditis elegans [7]. Methylsalicylsäure ist ein wichtiges Pheromon in PilzPflanze-Interaktionen. Allerdings handelt es sich hier um einen Methylester von Salicylsäure (Shikimatweg), während D. flagrans 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 vegetativen Hyphe, die sich während des Wachstums krümmt, um mit der ursprünglichen Hyphe zu fusionieren. Schon vor physischem Kontakt zwischen den beiden Hyphen entsteht von der basalen Hyphe ausgehend eine weitere Hyphe, die der ersten entgegenwächst. Dies deutet auf eine interzelluläre Kommunikation hin, wie sie bei der Keimlingsfusion von Neurospora crassa anhand des Zelldialogmodells beschrieben wurde. Hier fungieren die mitogenaktivierte Proteinkinase (MAPK) MAK-2, sowie das SoftProtein als Vermittler des Zelldialogs, indem sie abwechselnd an die Plasmamembran der Hyphenspitzen lokalisieren [10]. So wechseln die Hyphen koordiniert den Zustand zwischen Signalsender und Empfänger. Eine Besonderheit der Fallenbildung von NFP liegt darin, dass die interagierenden Kompartimente im Gegensatz zur Keimlingsfusion nur vier bis fünf Hyphensegmente voneinander entfernt sind. Die Pilze müssen somit die intrazelluläre Selbststimulation durch die gleichzeitige Generierung und Wahrnehmung chemotroper Signale verhindern. Tatsächlich ist das Zellkommunikationsmodell in D. flagrans konserviert (Abb. 3). Intrazellulär wird der evolutionär konservierte STRIPAK-Signalkomplex für die Signalverarbeitung 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. 688 W I S S EN S CH AFT ¯ Abb. 2: Regulation der Fallenbildung. Der pilzliche Sekundärmetabol (...truncated)