Interaktionen von Phytomyxea und ihren Wirten

Pathogene und Parasiten spielen eine nicht zu unterschätzende Rolle in verschiedenen Ökosystemen. Während einige, ausgewählte Taxa sehr gut untersucht sind, sind andere nicht weniger bedeutende Gruppen in weiten Teilen unerforscht. Ein Beispiel hierfür sind Phytomyxea (Endomyxa, Rhizaria), die als Parasiten wichtiger Kulturpflanzen bekannt sind (z. B. Plasmodiophora brassicae, der Erreger der Kohlhernie). Allerdings können Phytomyxea aufgrund ihrer obligat biotrophen Lebensweise nicht in Reinkultur sondern nur gemeinsam mit ihrem Wirt untersucht werden, was den experimentellen Zugang massiv erschwert. Ziel von HI-PHY ist es, die Interaktionen von Phytomyxea und ihren Wirten auf genetischer Ebene zu verstehen. Vergleichende Transkriptomanalysen werden mit in-situ Visualisierungsmethoden von mRNA kombiniert, wodurch es möglich werden soll, spezifische genetische Prozesse in individuellen Zellen nachzuweisen. Mithilfe dieser Methodenkombination sollen (i) grundlegende Mechanismen in der Pathogenabwehr von eukayontischen Zellen identifiziert werden, (ii) systemische und lokale Einflüsse einer Infektion mit Phytomyxea auf den Wirt analysiert werden und (iii) grundlegende, detaillierte Einblicke in die Biologie und den Lebenszyklus von Phytomyxea gewonnen werden. Dazu werden anfänglich die Transkriptome des Kohlhernie-Erregers Plasmodiophora brassicae (Wirt: Arabidopsis thaliana), von Maullinia ectocarpii (Wirt: Ectocarpus fasciculatus; Braunalge) und Woronina pythii (Wirt: Pythium sp.; Oomyzet) analysiert. Durch den direkten Vergleich auf molekularer Ebene von Plasmodiophorida (P. brassicae, W. pythii) und Phagomyxida (M. ectocarpii) ist ein tieferes Verständnis der Biologie und Genetik der Phytomyxea zu erwarten. Die Analysen dieser Transkriptome ermöglichen erstmalig einen gezielten Vergleich der Genetik der Pathogenabwehr in Pflanzen (Arabidopsis) und Stramenopilen (Ectocarpus, Pythium) was Einblicke in basale, gemeinsame Prozesse der Pathogenabwehr von Eukaryonten ermöglicht. Obwohl diese Transkriptomdaten unser Wissen über Phytomxea-Wirt-Interaktionen enorm erweitern werden, sind sie dennoch nur eine Momentaufnahme. Um die Funktionen der beteiligten Prozesse zu verstehen, müssen mRNA-Signale mit einzelnen Wirtszellen und/oder spezifischen Stadien im Lebenszyklus des Parasiten in Verbindung gebracht werden, was hier mithilfe von hochauflösende FISH-Methoden möglich wird. Dadurch können spezifische Genaktivitäten einzelnen Wirtszellen bzw. einzelnen Stadien des Lebenszyklus des Parasiten zugeordnet werden, was den Grundstein für ein gesamtheitliches Verständnis von Phytomyxea und ihrem Zusammenspiel mit ihren Wirten legen wird. So können einerseits für verschiedene Gruppen einzigartige und andererseits allen Eukaryonten gemeinsame Prozesse der Pathogenabwehr erkannt werden. HI-PHY wird grundlegende, völlig neue Erkenntnisse zur Biologie der Phytomyxea und der Interaktion mit ihren Wirten liefern und unser Wissen und Verständnis über Gemeinsamkeiten und Unterschiede in verschiedenen, spezifischen Wirt-Pathogen-Beziehungen deutlich steigern.

Phytomyxea, mikroskopische Parasiten, die Pflanzen, Braunalgen und Oomyceten befallen, sind als Krankheitserreger und Vektoren für Pflanzenviren bekannt, die erhebliche wirtschaftliche Schäden verursachen. Das HI-PHY-Projekt lieferte wegweisende Erkenntnisse über die Taxonomie, Genetik und Biologie dieser faszinierenden Organismen und unterstrich ihre Bedeutung für die Landwirtschaft und das Ökosystem. Phytomyxea werden heute der eukaryotischen Gruppe Rhizaria zugeordnet, die sich grundlegend von anderen Pflanzenschädlingen wie Pilzen unterscheidet. Ein prominentes Beispiel ist Plasmodiophora brassicae, ein Pflanzenpathogen, das für Schäden in der Größenordnung von 10% der globalen Brassica-Produktion verantwortlich ist. Im Rahmen des HI-PHY-Projekts wurden neue Arten dieser Organismen entdeckt, darunter Parasiten, die Braunalgen befallen, sowie historische Arten wiederentdeckt, die jahrzehntelang nicht beobachtet wurden. Es wurde ihre weitreichende Verbreitung in landwirtschaftlichen und natürlichen Ökosystemen nachgewiesen. Diese Erkenntnisse ermöglichten eine präzisere und umfassendere Klassifikation der Phytomyxea und ein besseres Verständnis ihrer Anpassungen an unterschiedliche Umweltbedingungen. Darüber hinaus beleuchtete das Projekt die komplexen Wechselwirkungen zwischen Phytomyxea und ihren Wirten, insbesondere wie sie Nährstoffe aufnehmen und Energiedynamiken ihrer Wirte verändern. Die Forschungsergebnisse zeigten, dass Phagozytose eine zentrale Rolle bei der Nährstoffaufnahme der Parasiten spielt. Phytomyxea entziehen sowohl pflanzlichen als auch stramenopilen Wirten Nährstoffe und lösen energieintensive Veränderungen im Wirtsgewebe aus. Untersuchungen zu zirkadianen Rhythmen zeigten, dass Phytomyxea die Energiezyklen der Wirte erheblich stören. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die komplexen Parasiten-Wirt-Beziehungen. Das HI-PHY-Projekt generierte zudem neue, einzigartige genomische Datensätze, die als Basis für zukünftige Studien dienen werden. Mithilfe innovativer RNA-Technologien konnte die Kommunikation zwischen Parasit und Wirt während des gesamten Infektionszyklus verfolgt werden, wodurch langjährige Herausforderungen bei der Untersuchung dieser komplexen Biotrophen überwunden wurden. Mit der Neudefinition der Taxonomie und einem erweiterten Verständnis der ökologischen Bedeutung der Phytomyxea hat das HI-PHY-Projekt eine solide Grundlage für innovative Forschungsansätze geschaffen. Diese Entdeckungen bieten neue Perspektiven für den Umgang mit diesen Parasiten und tragen sowohl zur Weiterentwicklung der Wissenschaft als auch zur Förderung einer nachhaltigen Landwirtschaft bei.