Zelltyp-Spezifität in der biotrophen Interaktion von Ustilago maydis mit seiner Wirtspflanze Mais.

• Antragsteller: Professor Dr. Gunther Döhlemann
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 211933430

Der biotrophe Pilz Ustilago maydis infiziert die oberirdischen Teile seiner Wirtspflanze Mais, wo er die Bildung von Pflanzentumoren verursacht. Das vorliegende Projekt basiert auf der Hypothese, dass U. maydis organspezifische Effektorproteine sekretiert, um in den unterschiedlichen Wirtsgeweben die Tumorbildung zu induzieren. Während der vorangegangenen Projektphase konnten wir die Ursprungshypothese bestätigen und eine Gruppe von Effektoren identifizieren, die für die Tumorbildung in Maisblättern benötigt wird, in Blüteninfektionen jedoch offenbar keine Rolle spielt. Ein solcher Effektor ist das Protein See1, welches für die Zellzyklus-Aktivierung in den Wirtszellen benötigt wird, die durch U. maydis zu Beginn der Tumorbildung induziert wird. Eine detaillierte zytologische Untersuchung von U.maydis-infizierten Maisblättern zeigte, dass der Tumorbildung zwei distinkte zelluläre Prozesse zugrunde liegen. Bündelscheidenzellen sind Ausgangspunkt hyperplastischer Tumorzellen (HPTs), während im Mesophyll hypertrophe Tumorzellen (HTTs) gebildet werden. Dabei zeigte sich, dass der See1 Effektor spezifisch die Aktivierung der Zellteilung in Bündelscheidenzellen induziert. Mittels „Laser capture microdissection“ wurden zelltyp-spezifische Transkriptomprofile erstellt. Diese Untersuchung offenbarte eine zelltyp-spezifische Expression von U. maydis Effektorgenen und liefert gleichzeitig ein Set von neun Kandidaten als potentielle Aktivatoren der Hypertrophie in Mesophylzellen. Eine vergleichende Transkriptomanalyse von U. maydis mit dem nah verwandten Maispathogen Sporisorium reilianum, welcher keine Tumorbildung in Blättern induziert, führte zu der Erkenntnis, dass die spezifische transkriptionelle Regulation insbesondere für die Funktion von Blatt- und Zelltyp-spezifischen Effektoren entscheidend ist. Auf Basis dieser Vorarbeiten ist das Ziel dieses Projekts, die Zelltyp-spezifischen Mechanismen der durch U. maydis verursachten Tumorbildung zu verstehen. Nachdem mit See1 ein für die Induktion der Zellteilung verantwortlicher Effektor identifiziert werden konnte, soll nun die durch U. maydis induzierte Hypertrophie aufgeklärt werden. Hierzu sollen die Hypertrophie-induzierenden Effektorproteine identifiziert und funktionell charakterisiert werden. Deren Zielproteine in der Wirtszelle sollen identifiziert werden, um die Mechanismen der Hypertrophie-Induktion zu beleuchten. Abschließend sollen in einem neuartigen Ansatz die Hypertrophie-/Tumor-induzierenden Effektorgene aus U. maydis mittels CRISPR-Cas9 vermitteltem Genaustausch in S. reilianum transferiert werden. Wir erwarten von diesem Projekt grundlegend neue Erkenntnisse über die Induktion der Hypertrophie durch pilzliche Effektorproteine. Letztendlich zielt dieser Ansatz darauf, ein funktionales Effektor-Set zur Rekonstruktion der Tumorbildung in Pflanzen zu identifizieren, mit dessen Hilfe dieser hoch interessante Prozess auf mechanistischer Ebene verstanden werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen