Sexuelle Entwicklung in Hypocrea jecorina

Sexuelle Entwicklung ist eine der wichtigsten Errungenschaften der Evolution. Fisher und Müller stellten schon 1930 fest, dass "das bloße Vorkommen von Sex dessen Nutzen voraussetzt". Sex trägt nicht nur zur Verbesserung der Fitness eines Organismus und seiner Anpassung and die ökologische Nische bei, die Tatsache, dass sexuelle Entwicklung eingeleitet wird, sobald die Umweltbedingungen sich verschlechtern zeigt auch, dass dieser Prozess für das Überleben einer Spezies von großer Bedeutung ist. Der Fall der Sexualität im industriellen Arbeitstier Trichoderma reesei (der asexuellen Form von Hypocrea jecorina) ist insofern ungewöhnlich als sowohl Forschung als auch industrielle Stammverbesserung auf nur einem einzigen Isolat, dem Stamm QM6a und seinen (asexuellen) Nachkommen basieren. Der filamentöse Ascomycet T. reesei wurde während des zweiten Weltkriegs isoliert, weil er Ausrüstungsgegenstände der Armee aus Baumwolle abbaute. Später führten genau diese hohen Mengen an Cellulose abbauenden Enzymen, derentwegen der Stamm isoliert worden war, zu seiner genaueren Erforschung für industrielle Zwecke. Wie bei allen anderen industriell angewendeten filamentösen Pilzen, war die Möglichkeit des Kreuzens für T. reesei nicht verfügbar, obwohl die sexuelle Form H. jecorina schon vor mehr als 10 Jahren durch phylogenetische Analysen bestimmt worden war. Kürzlich konnten wir die beiden Mating Type Loci von T. reesei (MAT1-1 und MAT1-2) beschreiben und erstmals sexuelle Entwicklung von T. reesei QM6a (MAT1-2) in Kreuzungen mit einem Naturisolat von H. jecorina zeigen, wobei wir befruchtete Stromata und reife Ascosporen erhielten. Eine problematische Entdeckung in diesem Zusammenhang war allerdings, dass T. reesei QM6a zwar männlich fruchtbar ist, die weibliche Rolle aber nicht übernehmen kann. Im Rahmen des hier vorgestellten Projekts möchte ich erste Einblicke in die Mechanismen im Zusammenhang mit sexueller Entwicklung in T. reesei erhalten. Durch Vergleich der Genome des weiblich sterilen Stammes QM6a mit dem fruchtbaren Naturisolat werde ich Gene selektieren, die möglicherweise für die weibliche Sterilität von QM6a verantwortlich sind and ihre Funktion durch Deletion im Naturisolat und Komplementation von QM6a zu bestätigen versuchen. Physiologische Unterschiede zwischen Stämmen unterschiedlichen Mating Typs sollen durch Analyse von Transkriptionsmustern und charakteristischer Verwertung unterschiedlicher Kohlenstoffquellen aufgedeckt werden. Dadurch werden faszinierende Einsichten in die Anpassung des biologischen Gleichgewichtes zwischen sexueller und asexueller Entwicklung - möglicherweise durch geringfügig unterschiedliche ökologische Nischen der Mating Partner - möglich. Andererseits können diese Resultate zu einer gezielteren Auswahl von Stämmen geeigneten Mating Typs für die Stammverbesserung in bestimmten industriellen Prozessen beitragen. Weiters werde ich den Zusammenhang zweier Gene die gegenteilig auf die sexuelle Entwicklung wirken, untersuchen und ihre Position in der Signalübertragungskaskade in H. jecorina bestimmen. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt werden nicht nur unser Verständnis für die Physiologie von H. jecorina in seinem natürlichen Habitat verbessern, sondern auch die Entwicklung umweltgerechter und kostengünstiger Biotreibstoffe aus cellulosehaltigen Abfällen fördern.

Trichoderma reesei (Hypocrea jecorina) ist ein filamentöser Pilz, der in der Industrie für die Produktion verschiedenster Enzyme verwendet wird, vor allem aber für Enzyme, die Pflanzenmaterial abbauen können. Nachdem wir die Möglichkeit des Kreuzens (also die sexuelle Entwicklung) für diesen Pilz entdeckt hatten, mussten wir auch feststellen, dass der wichtigste Stamm dieser Spezies (QM6a) einen genetischen Defekt hat und dadurch für die Fruchtkörperbildung ein Naturisolat als Kreuzungspartner braucht.Daher haben wir in diesem Projekt versucht, die Gründe für diesen Defekt zu finden, um ihn beheben zu können. Gleichzeitig war das Ziel, die sexuelle Entwicklung besser zu verstehen und einen der molekularen Mechanismen, die für diesen Prozess wichtig sind genauer zu charakterisieren.Eines der interessantesten Ergebnisse dieses Projekts war, dass Trichoderma reesei die Gegenwart eines potentiellen Kreuzungspartners wahrnehmen kann und darauf reagiert, indem er andere Sekundärmetaboliten (chemische Stoffe, die als Signale oder Toxine wirken können) produziert. Ebenso ändert sich diese chemische Sprache, wenn dem Kreuzungsparter das Protein VELVET (VEL1) fehlt. Bei solchen Stämmen ist nicht nur die chemische Sprache gestört, sondern auch die Produktion von Peptidpheromonen und Rezeptoren um diese zu detektieren. Weiters ist die Fähigkeit zur sexuellen Entwicklung durch das Fehlen von VEL1 beeinträchtigt und in Dunkelheit gar nicht mehr möglich. Wir haben also einen wichtigen Faktor für die Kommunikation zwischen Pilzen entdeckt sowie die Art, wie diese Kommunikation abläuft.In Bezug auf den genetischen Defekt von QM6a konnten wir den Bereich im Genom, der für den Defekt verantwortlich ist auf 6 Gene eingrenzen, was einen entscheidenden Vorteil für die industrielle Anwendung darstellt. Wir konnten zeigen, dass, sobald die wild-typ Version dieser Gene im Genom von QM6a vorhanden war, die Stämme mit hoher Wahrscheinlichkeit den Defekt nicht mehr hatten. Für andere Gene war es eher Zufall, ob deren wild-typ oder Originalversion vorhanden war.Transkriptomanalysen zeigten weiters Unterschiede zwischen Stämmen, die fruchtbar waren und QM6a. Allerdings wurden keine wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden Mating types (entsprechend den Geschlechtern) in der Transkription von Enzym codierenden Genen gefunden. Auch die Substratverwertung zwischen den verschiedenen Stämmen ist unterschiedlich und lässt einen Zusammenhang der Fähigkeit zur sexuellen Entwicklung mit einer effizienten Detektion und Verwertung von Nährstoffen in der Umwelt vermuten.