Der Mykoparasit Trichoderma in der post-genomischen Epoche

Die meisten Pflanzenkrankheiten werden durch Pilze verursacht und trotz hohen Fungizid-Einsatzes führen diese Pilzkrankheiten nach wie vor zu teils beträchtlichen Ertragsausfällen in der Landwirtschaft. Einige Trichoderma- Arten können diverse dieser pflanzenpathogenen Pilze durch Mykoparasitismus in ihrem Wachstum hemmen und abtöten und werden daher weltweit als biologische Alternative im Pflanzenschutz eingesetzt. Die mykoparasitische Interaktion ist wirtsspezifisch und verschiedene an der Signaltransduktion beteiligte Proteine spielen eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Wirtssignalen und der Aktivierung der mykoparasitischen Antwort. Wir konnten kürzlich die enorme Bedeutung des G-Protein-vermittelten Signalweges bei der Wirtserkennung und der Steuerung von Myoparasitismus-relevanten Vorgängen wie der Produktion und Sekretion von hydrolytischen Enzymen und antimikrobiellen Metaboliten und der Bildung von Mykoparasitismus- assoziierten Infektionsstrukturen in Trichoderma atroviride zeigen. Für ein besseres Verständnis der molekularen Vorgänge, welche Trichoderma atroviride zum Mykoparasitismus befähigen, ist die Identifizierung der beteiligten Gene unerlässlich. Die kürzlich erfolgte Sequenzierung des Trichoderma atroviride Genoms ermöglicht nun die Erstellung Genom-weiter Expressionsprofile dieses Pilzes unter verschiedenen Kultiverungsbedingungen mit Hilfe der "Microarray"-Technologie. Im Rahmen dieses Projektes sollen entsprechende Expressionsprofile des Wildtyps und einer avirulenten Mutante mit Änderungen in der durch den Gpr1 G-Protein-gekoppelten Rezeptor vermittelten Signaltransduktion unter An- bzw. Abwesenheit eines lebenden Wirtspilzes erstellt werden. Durch Vergleich dieser Profile mittels bioinformatischer Methoden können einerseits differentiell exprimierte Mykoparasitismus-relevante Gene und andererseits Zielgene des Gpr1 vermittelten G-Protein-Signalweges identifiziert werden. Um die Funktionalität und Beteiligung einiger dieser identifizierten Gene an mykoparasitischen Prozessen zu verifizieren, sollen anschliessend entsprechende rekombinante Trichoderma- Stämme erzeugt und diese dann verschiedenen Biokontroll-Tests unterzogen werden. Dieser Genom-weite Ansatz zur Isolierung von Mykoparasitismus-relevanten Genen ist topaktuell und birgt gemeinsam mit der Aufklärung der zugrunde liegenden Regulationsmechanismen das Potential zur Verbesserung von auf Trichoderma basierenden Biokontroll-Produkten. Da Trichoderma auch eine reichhaltige Quelle von Enzymen und antimikrobiellen Metaboliten (Antibiotika der Zukunft?) darstellt, sind die identifizierten Gene auch als potentielle Ziele für die Herstellung neuer Produkte mit industrieller und medizinischer Anwendung interessant.

Der mykoparasitische Pilz Trichoderma atroviride hat die natürliche Fähigkeit, andere Pilze abzutöten, indem er diese parasitiert. Das Rezeptorprotein Gpr1, ein Mitglied der Familie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren, spielt dabei eine essentielle Rolle. In Abwesenheit von Gpr1 ist T. atroviride blind, d.h. der Pilz kann entsprechende Wirtspilze nicht erkennen und sich an diese anheften, eine unerlässliche Voraussetzung für die Produktion seiner am Wirtsangriff und der Wirtslyse beteiligten molekularen Waffen - dementsprechend sind gpr1-Mutanten komplett avirulent. Genomweite Analysen führten zur Identifizierung einer Reihe von durch den Gpr1-Signalweg direkt regulierter Zielgene. Die Suche nach mit Gpr1 interagierenden Proteinen, die an der Übertragung des Wirtssignals von der Zelloberfläche in den Zellkern beteiligt sein könnten, ergab ein Pilz-spezifischen Protein, welches mit Gpr1 in der pilzlichen Zellmembran co-lokalisiert und dessen Fehlen zu einer erheblichen Verminderung der mykoparasitischen Aktivität von T. atroviride führte. Schimmelpilze der Gattung Trichoderma sind in der Lage, pflanzenschädigende Pilze durch einen Mykoparasitismus genannten Prozess abzutöten und stellen daher im Kampf gegen Schadpilze vielversprechende Alternativen zu chemischen Fungiziden dar. Das Erfühlen und Erkennen entsprechender Wirtspilze ist für einen erfolgreichen Mykoparasitismus essentiell und das Wissen über die beteiligten Rezeptoren und Signalwege, die den mykoparasitischen Angriff auslösen, daher unabdingbar. Durch Untersuchungen der Gesamtheit an aktiven Genen (Transkriptomanalysen) konnten die an der mykoparasitischen Pilz-Pilz-Interaktion beteiligten Gene identifiziert werden. Es zeigte sich, dass T. atroviride während des frühen Kontakts mit dem Schadpilz etliche an der Verwertung von einfachen Zuckern und an der Produktion von sekundären Metaboliten beteiligte Gene abgeschaltet hält, während es zu einer Aktivierung von Genen für die Wirtslyse und Verteidigung gegen den Wirtspilz kommt. Vergleichende Analysen mit der gpr1-Mutante ergaben, dass Gpr1 nicht nur die Expression Mykoparasitismus-relevanter Gene reguliert, sondern auch bei der Regulation von an anderen zellulären Signalweiterleitungswegen beteiligten Genen eine Rolle spielt und somit einen weitreichenden und vielfältigen Einfluss auf die zelluläre Antwort von T. atroviride hat. Zelloberflächenrezeptoren befinden sich in der Zellmembran und dies konnte auch für Gpr1 gezeigt werden, das dort mit einen Pilz-spezifischen Protein zu interagieren scheint. Stämme, denen dieses Pilz-spezifische Protein fehlt, sind, ähnlich zu gpr1-Mutanten, in ihrer mykoparasitischen Aktivität massiv beeinträchtigt. Diese Stämme bilden jedoch stark gesteigerte Mengen an bestimmten chitinolytischen Enzymen die sowohl eine Rolle beim Umbau der Pilz-eigenen Zellwand als auch beim Abbau der Zellwand des Wirtspilzes während des mykoparasitischen Angriffs spielen. Die erzielten Ergebnisse aus der funktionellen Genomanalyse lieferten umfassende Einblicke in die an der frühen Interaktion mit einem Wirtspilz beteiligten molekularen Mechanismen, die unter der Kontrolle des Gpr1-Rezeptors stehen, und könnten in weiterer Folge zur Verbesserung von Trichoderma als Biofungizid beitragen.