De schimmel Ustilago maydis valt maïs aan en kan aanzienlijke schade aanrichten aan zijn gastheer. Hiervoor zorgt het er eerst voor dat de plant weinig weerstand biedt tegen de infectie. De chirurgische precisie die het toepast blijkt uit een nieuwe studie van de Universiteit van Bonn, die nu is gepubliceerd in het tijdschrift New Phytologist . Het Gregor Mendel Institute in Wenen en het Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research in Gatersleben waren ook betrokken bij het werk.

Ustilago maydis valt aan en reproduceert in de bovengrondse delen van de maïsplant. Enorme tumorachtige weefselgroei vormt zich vaak op de plaats van infectie. Deze gallen kunnen de grootte van een kinderhoofd bereiken. De gezwellen worden veroorzaakt door moleculen die vrijkomen door de schimmel, effectoren genoemd. Ze manipuleren de stofwisseling van de plant en onderdrukken het immuunsysteem. Ze bevorderen ook de celgroei en -deling in maïs. Om dit te doen, interfereren ze met een plantsignaleringsroute die wordt gereguleerd door het plantenhormoon auxine.

"De schimmel gebruikt deze auxine-signaleringsroute voor zijn eigen doeleinden", legt prof. dr. Armin Djamei uit, hoofd van de afdeling Plantpathologie van het INRES-instituut van de Universiteit van Bonn. "Dit komt omdat de enorme groei van het weefsel energie en middelen verslindt die dan ontbreken voor de verdediging tegen Ustilago maydis. Bovendien vindt de schimmel een ideale toevoer van voedingsstoffen in de gezwellen en kan zich daar goed vermenigvuldigen." De vorming van de karakteristieke gallen is dus zeker in het belang van de ziekteverwekker.

"We wilden daarom weten hoe de schimmel deze proliferatieprocessen bevordert", zegt Djamei. "Om dit te doen, zochten we naar genetisch materiaal in de schimmel waarmee het de auxine-signaleringsroute van zijn waardplant en dus zijn celgroei kan regelen." De complexe zoektocht begon zeven jaar geleden bij het Gregor Mendel Instituut in Wenen. Later zette de gewasonderzoeker het werk voort aan het Leibniz Instituut in Gatersleben en later aan de Universiteit van Bonn.

Pathogen herprogrammeert zijn host

Samen met zijn medewerkers kon Djamei vijf genen identificeren die de schimmel gebruikt om de auxine-signaleringsroute van de waardplant te manipuleren. Deze vijf genen, Tip1 tot en met Tip5 genoemd, vormen een zogenaamde cluster:als men zich het hele genoom van Ustilago maydis voorstelt als een dikke encyclopedie, dan liggen deze vijf als het ware op opeenvolgende pagina's.

Genen zijn constructiehandleidingen - de schimmel heeft ze nodig om respectieve eiwitten te produceren. "De eiwitten die worden gecodeerd door de vijf Tip-genen kunnen binden aan een eiwit in de maïsplant dat bij deskundigen bekend staat als Topless", legt dr. Janos Bindics uit. Hij en zijn collega Dr. Mamoona Khan, een voormalig medewerker van het Gregor Mendel Institute, voerden veel van de belangrijkste experimenten van het onderzoek uit.

Topless is een centrale schakelaar die heel verschillende signaalroutes in de plant onderdrukt. De schimmeleffectoren die door de vijf Tip-genen worden geproduceerd, hebben voorrang op deze repressie - en doen dit heel specifiek voor signaalroutes die de schimmel ten goede komen, zoals de door auxine aangestuurde groeisignaleringsroute. Daarentegen worden andere signaalroutes die door Topless worden gecontroleerd, niet beïnvloed. "Figuurlijk gezien werkt de schimmel met chirurgische precisie", benadrukt Djamei. "Het doet precies wat het moet doen om de maïsplant het beste te infecteren."

Inzichten voor fundamenteel onderzoek

Er zijn een aantal pathogenen die interfereren met de auxine-signaleringsroute van de gastheren die ze infecteren. Hoe precies wordt vaak niet helemaal begrepen. Mogelijk speelt Topless ook in andere teelten een belangrijke rol in dit proces. Het eiwit is immers enkele honderden miljoenen jaren geleden ontstaan ​​en zijn centrale rol is sindsdien nauwelijks veranderd. Het bestaat daarom niet alleen in maïs, maar in een vergelijkbare vorm in alle andere landplanten. Zo konden de onderzoekers aantonen dat de Tip-effectoren van Ustilago maydis ook interfereren met de auxine-signaleringsroute van andere plantensoorten.

De bevindingen kunnen daarom helpen om de infectieprocessen bij belangrijke plantenziekten beter te begrijpen. De resultaten zijn vooral interessant voor fundamenteel onderzoek:"Hierdoor zal het voor het eerst mogelijk zijn om specifieke effecten van de auxine-signaleringsroute op een zeer gerichte manier te beïnvloeden en zo de werking van deze belangrijke plantenhormonen nog nauwkeuriger op te helderen, ' zegt Armin Djamei.