Pflanzen können vor ihren Feinden nicht davon laufen. Dennoch sind sie ihnen alles andere als wehrlos ausgesetzt, denn Pflanzen betreiben chemische Kriegsführung. Mais (Zea mays) – als Grundnahrungsmittel in Afrika und Lateinamerika, Futterpflanze und zunehmend wichtige Energiepflanze eine der bedeutsamsten Nutzpflanzen weltweit – muss sich unter anderem gegen den Brandpilz Ustilago maydis verteidigen. Dieser verursacht den Maisbeulenbrand, eine Krankheit, bei der an den oberirdischen Pflanzenteilen Tumoren entstehen.
Das Zusammenspiel von Pilz und Pflanze untersucht Regine Kahmann, Direktorin am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. „Maisbeulenbrand wird zunehmend wichtig“, so die Mikrobiologin. „Ernteausfälle können bis zu 20% betragen und liegen damit in der gleichen Dimension wie bei Rostpilzen. Die Bekämpfung des Maisbeulenbrands erfolgt chemisch über Beizung des Saatguts.“
Ist die Krankheit einmal ausgebrochen, können Landwirte allerdings nicht mehr viel tun. Die Tumoren werden vermutlich durch sezernierte Effektor-Proteine hervorgerufen, die der Pilz ins Cytoplasma der Pflanzen schleust. Sobald die Pflanze einen solchen Pilzangriff entdeckt, bildet sie Abwehrmoleküle. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Botenstoff Salicylat, der pflanzlichen Zelltod auslösen kann. „Da U. maydis als biotropher Pilz lebendiges Pflanzengewebe benötigt, um eine Pflanze erfolgreich zu besiedeln, muss die Salicylat-Produktion unterdrückt werden“, erklärt Kahmann.
In der Tat hat der Brandpilz eine clevere Strategie gefunden, um genau das zu erreichen. So produziert er als Effektor-Protein eine Chorismat-Mutase. Diese Enzyme wandeln Chorismat in Prephenat um, das dann im Shikimisäureweg für die Synthese der aromatischen Aminosäuren Tyrosin, Phenylalanin und Tryptophan verwendet wird. Was das mit der Salicylat-Produktion zu tun hat? Ganz einfach: Chorismat kann statt in Prephenat auch in Isochorismat umgewandelt werden und dann als Vorstufe für die Bildung von Salicylat dienen. In Pflanzen laufen beide Wege ab, immer fein abgestimmt auf den jeweiligen Bedarf. Die pilzliche Chorismat-Mutase sorgt nun dafür, dass das Chorismat weitgehend in den Shikimisäureweg umgeleitet wird. Für die Synthese von Salicylat fehlt damit schlichtweg das Substrat.
Chorismat-Synthasen werden normalerweise allosterisch durch die Aminosäuren Tyrosin und Tryptophan reguliert. So führt eine Bindung von Tryptophan zu einer gesteigerten, die Bindung von Tyrosin zu einer abgeschwächten Enzymaktivität. Für Cmu1, das Effektor-Protein von U. maydis, gilt das dagegen nicht. Der Wegfall dieses allosterischen Regulationsmechanismus ist eine wichtige Voraussetzung für die Wirkung als Effektor-Protein, denn dadurch wird das Enzym im Cytosol der Pflanzen unempfindlich gegenüber Schwankungen der Aminosäure-Zusammensetzung. Dass die Maispflanze aber einen anderen Weg gefunden hat, um sich gegen die Störung ihrer Salicylsäure-Produktion zur Wehr zu setzen, beschreibt Kahmann mit ihrem Team und Kollegen um Gert Bange vom Center of Synthetic Microbiology (SYNMIKRO) der Philipps-Universität Marburg und Stefan Rensing, ebenfalls an der Philipps-Universität, kürzlich in Nature.
Offensichtlich bilden die Maispflanzen ein Protein, das gezielt an Cmu1 bindet und dabei den Zugang für das Substrat blockiert. Eine kompetitive Hemmung findet dagegen nicht statt, denn die Affinität des Enzyms zum Substrat bleibt gleich. Struktur- und biochemische Analysen zeigen, dass Cmu1 ein Homodimer bildet, an das zwei Moleküle des Maisproteins ZmKWL1 mit sehr hoher Affinität binden. ZmKWL1 gehört zur Gruppe der Kiwelline, die ursprünglich in der Kiwifrucht (Actinidia spp.) entdeckt wurden. „Kiwelline von Kiwis waren als Allergene beschrieben, eine endogene Funktion in Kiwipflanzen kannte man bislang nicht“, betont Kahmann. Mais besitzt 20 Kiwellin-Gene, von denen aber nur das für ZmKWL1 kodierende Gen bei einer Infektion mit U. maydis hochreguliert wird.
Kiwelline besitzen einen Kern aus beta-Barrels, der durch Disulfidbrücken stabilisiert wird sowie eine N-terminale Signalsequenz für den Transport in den Apoplasten. Letzteres ist ein typisch pflanzliches Kompartiment, das nach Infektion die Interaktionszone zwischen dem von der Plasmamembran der Pflanze umgebenen Pilz und der Pflanze darstellt. Die Tatsache, dass die Kiwelline in den Apoplasten transportiert werden, deutet darauf hin, dass Cmu1 und ZmKWL1 nach Infektion in diesem Kompartiment interagieren. Die Wissenschaftler spekulieren, dass dadurch vielleicht der Transport von Cmu1 ins pflanzliche Cytoplasma gestört wird. „Mehrere pflanzenpathogene Pilze und Bakterien besitzen Chorismat-Mutasen, die vermutlich sezerniert werden“, so Kahmann. „Meines Wissens ist deren Funktion aber noch nicht untersucht, und es ist somit möglich, dass auch diese Effektoren Kiwelline binden“.
Da Cmu1 spezifisch durch ZmKWL1 gehemmt wird, muss dafür eine Struktur des Effektor-Proteins verantwortlich sein, die bei verwandten Proteinen nicht auftaucht. „Im Bereich, der bei einem verwandten Protein in Hefe die allosterische Regulation vermittelt, gibt es strukturell große Unterschiede zu Cmu1, die vermutlich erklären, warum Cmu1 allosterisch nicht durch Tryptophan und Tyrosin reguliert werden kann“, erklärt die Max-Planck-Direktorin.
Diese ausgeprägte Schleifenregion (ELR) ist folglich prädestiniert für eine Interaktion mit ZmKWL1. Und wirklich: Entfernten die Forscher die Region, so konnte ZmKWL1 die Chorismat-Mutase nicht mehr hemmen. „Die Kontakte zwischen Cmu1 und ZmKWL1 erfolgen über vier Positionen, von denen eine in der ELR liegt“, so Kahmann. Wie wichtig die Interaktion zwischen dem pilzlichen Effektor und ZmKWL1 ist, zeigten die Forscher, indem sie die Expression von ZmKWL1 in Maispflanzen reduzierten und nachwiesen, dass der Maisbrandpilz in solchen Pflanzen stärkere Krankheitssymptome hervorruft. Dies bedeutet, dass ZmKWL1 eine Pathogen-Abwehrfunktion in Mais hat.
Die Funktionen der anderen Mais-Kiwelline sind noch nicht bekannt. Interessanterweise wird in Kartoffelpflanzen, die vom Oomyzeten Phytophthora infestans befallen sind, ebenfalls ein Kiwellin hochreguliert. Vermutlich sind also die Kiwelline als Abwehr gegen Pathogene im Pflanzenreich weit verbreitet.
Wünschenswert wäre es, die neuen Erkenntnisse rund um ZmKWL1 zu nutzen, um den Maisbeulenbrand und andere Pflanzenkrankheiten zu bekämpfen. Ganz einfach wird das aber wohl nicht, wie Kahmann zu bedenken gibt: „Dazu muss es gelingen, einen Induktor für die Expression dieser Gene zu finden, denn ohne Pathogen-Einfluss werden sie nicht exprimiert.“
Larissa Tetsch
Han X. et al. (2019): A kiwellin disarms the metabolic activity of a secreted fungal virulence factor. Nature, doi: 10.1038/s41586-018-0857-9