Adaptive Mechanismen für die Kommunikation von biotrophen Pilzen

• Antragsteller: Professor Dr. Kai Heimel
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458329234

Biotrophe Pilze benötigen eine optimierte intrazelluläre Infrastruktur um die effiziente Sekretion hunderter verschiedener Proteine, sogenannter Effektoren, und damit die Kommunikation mit ihrer Wirtspflanze zu ermöglichen. Eine zentrale Funktion vieler Effektoren liegt in der Manipulation des pflanzlichen Immunsystems, was Voraussetzung für die Etablierung einer fein ausbalancierten (kompatiblen, biotrophen) Interaktion zwischen Pilz und Pflanze ist. Um die notwendigen Kapazitäten um die effiziente Faltung, Prozessierung und Sekretion von Effektoren bereit zu stellen wird während der biotrophen Wuchsphase des pflanzenpathogen Pilzes Ustilago maydis die Unfolded Protein Response (UPR), eine adaptative Antwort des endoplasmatischen Retikulums (ER) auf Stress, aktiviert. Die Aktivierung der UPR ist Voraussetzung für die effiziente Sekretion von Effektoren, vermittelt jedoch auch unabhängig von konventionell sekretierten Effektoren die Supprimierung des pflanzlichen Immunsystems durch die Regulation der Signalpeptid-Peptidase (SPP) Spp1. Diese Beobachtung lässt auf einen neuen und bislang unbekannten Mechanismus zur Kommunikation zwischen biotrophen Pilzen und Pflanzen schließen, welcher die katalytischen Aktivität von Spp1 erfordert und nicht auf bislang bekannten physiologischen Funktionen von Signalpeptid-Peptidasen beruht. Die zentrale Fragestellung des ersten Projektteils adressiert den Mechanismus der Spp1-vermittelten Unterdrückung pflanzlicher Abwehrreaktionen und seiner Konservierung in biotrophen Pilzpathogenen, was durch eine Kombination genetischer, zellbiologischer und biochemischer Methoden untersucht werden soll. Spp1-vermittelte Veränderungen während der biotrophen Entwicklung werden auf pilzlicher und pflanzlicher Seite durch Transkriptom- und Metabolom-Analysen dargestellt. Stadien-spezifische Funktionen von Spp1 und potenzielle Substrate werden durch eine neue genetische Methodik und quantitative Massenspektrometrie zu verschiedenen Entwicklungszeitpunkten identifiziert und eingehend charakterisiert. Die zentrale Fragestellung des zweiten Teilprojektes adressiert die Wechselwirkungen zwischen UPR und MAPK-Signalwegen durch die Phosphatase Rok1. Die Aktivität von Rok1 ist durch die UPR reguliert, invers mit der Virulenz von U. maydis verknüpft und notwendig für die Aufrechterhaltung der biotrophen Pilz/Pflanzeninteraktion. Durch die Untersuchung der stadienspezifischen Funktionen des zentralen Rok1 Zielproteins Kpp6, welches die Wahrnehmung der pflanzlichen Umgebung vermittelt, sollen adaptive Prozesse zeitlich aufgelöst dargestellt und die Relevanz der Rok1-Kpp6 Interaktion für die Regulation des Virulenzpotentials aufgeklärt werden. Beide Teilprojekte befassen sich mit der Adaptation von konservierten Signalwegen an die spezifischen Bedürfnisse von biotrophen Pflanzenpathogenen und werden neue Einblicke in grundlegende Prinzipien der Kommunikation innerhalb biotropher Interaktionen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen