Pilzteil

Einführung in die Mikrobiologie
Pilze
Literatur
Carlile, Watkinson,
Gooday: The Fungi;
2nd edition, Elsevier
Academic Press
Esser: Kryptogamen 1.
Cyanobakterien, Algen,
Pilze, Flechten. Praktikum
und Lehrbuch; 3. Auflage,
Springer Verlag
The Mycota. A Comprehensive
Treatise on Fungi as
Experimental Systems for Basic
and Applied Research (Band 112); Series Ed.: Esser, K.;
Springer Verlag
Lehrbücher der Botanik (z.B. Strasburger) und Mikrobiologie (z.B. Brock)
Pilze Online
- Tree of life: http://tolweb.org/tree/phylogeny.html
- The WWW Virtual Library Mycology:
http://mycology.cornell.edu/; Sammlung verschiedener
Pilz-Links
- Tom Volk‘s Fungi:
http://botit.botany.wisc.edu/toms_fungi/; viele Bilder, viele
Links
- Doctor Fungus: http://www.doctorfungus.org/;
hauptsächlich humanpathogene Pilze
Die pilzliche Zelle
Pilze sind Eukaryonten!
Vergleich Tiere, Pilze, Pflanzen
Tiere
Pilze
Pflanzen
Plastiden
fehlen
fehlen
vorhanden
Ernährung
heterotroph
heterotroph
photoautotroph
Lebensweise
saprophytisch,
saprophytisch,
photoautotroph (einige
parasitisch,
parasitisch,
parasitisch,
symbiontisch, carnivor,
symbiontisch
symbiontisch)
herbivor
Zellwand
keine Zellwand
Chitin (Zellulose)
Zellulose und Pektin
Reservestoffe
Lipide
Glycogen und Lipide
Stärke
(Vegetations-)
höher entwickelte aus
Flechtenthallus aus
Thallus oder Cormus
Körper
Gewebe
Hyphen
aus Gewebe
Sporen
fehlen
vorhanden
vorhanden
Fruchtkörper
Sporophyllstände,
Sporenausbreitung ----
Blüten
Wuchsformen von Pilzen
Myzel (filamentös):
Hefe (unizellulär):
Sproßhefe (S. cerevisiae)
Spalthefe
(Schizosaccharomyces pombe)
Apikales Wachstum: Hexenringe
-apikal gewachsen (radial)
-Ø bis 150 m
- oft nur ein einzelner Organismus
Größter Organismus der Welt:
ein Pilz?
•
•
•
•
•
Hallimasch im Malheur National Forest (Oregon, USA)
Fläche von 880 ha (ca. 1200 Fußballfelder)
geschätzte 600 Tonnen
ca. 2400 Jahre alt
größter europäischer Pilz:
– Hallimasch beim Ofenpass (Schweiz)
– 35 ha (Ø 500-800 m), ca. 1000 Jahre alt
„Humungous Fungus
Fest“ in Crystall Falls,
Michigan, USA
Hallimasch
Apikales Wachstum:
Spitzenkörper
Phasenkontrast
Vesikelfärbung
Elektronenmikroskopie
N. crassa
Vesikel- und
Tubulinfärbung
Computermodell
Abb.: Harris et al., 2005, Eukaryotic Cell
Hyphenstruktur
totes Myzel
Wachstumszone
Septen höherer Pilze:
Einfaches Septum mit zentraler Pore
• bei den meisten Ascomyceten
und Deuteromyceten
vorhanden
• Zellorganellen (u.a.
Mitochondrien und Zellkerne)
können die Pore passieren
• bei Verletzung kann ein
Kompartiment durch WoroninKörper (Proteinkomplex)
verschlossen werden
Septen höherer Pilze:
Dolipore Septen
• bei den meisten
Basidiomyceten vorhanden;
sehr komplex
• Pore (p) weist prominenten
Rand (r) auf und ist von
Porenkappe (pc) umgeben
• pc hat selber Poren (po) und ist
mit dem ER verbunden
• Zellorganellen (u.a.
Mitochondrien und Zellkerne)
können die Poren passieren
Septen höherer Pilze:
Multiperforierte Septen
• bei Ascomyceten und
Deuteromyceten vorhanden
• Perforationen haben max.
25 nm Durchmesser
• Zellorganellen können nicht
passieren;
cytoplasmatische
Kontinuität wird jedoch
beibehalten
Pilzliche Vielfalt
Evolution der Pilze
first
eukaryotes
land
plants
mammals
Pilze
=> ca. 1,5 Millionen Pilzarten
Übersicht wichtige Pilzgruppen
Organisationslevel
Abteilung / Stamm
Reich
Myxomycota
Dictyosteliomycota
Schleimpilze
Acrasiomycota
Protozoen
Plasmodiophoramycota
Labyrinthulomycota
viele Arten
bilden Zoosporen aus
Chytridiomycetes
Zygomycetes
Pilze
(im weiteren Sinne)
Oomycetes
Stramenopile
keine
Zoosporen
Ascomycetes
Basidiomycetes
Deuteromycetes (Fungi imperfecti)
Pilze
Schleimpilze
• Eukaryonten, heterotroph (oft phagotroph)
• amöboide Stadien
Myxomycota:
Gelbe Lohblüte
(Fuligo septica)
Dictyosteliomycota:
D. discoideum
Plasmodiophoramycota:
P. brassicae
=> Kohlhernie
Pilze
(im weiteren Sinne)
• Eukaryonten, heterotroph
• Zellwand (Chitin, Zellulose)
• Vegetationskörper: Thallus
– Hyphen
– Hefen
• alle Hyphen zusammen: Myzel
Oomycota
•
•
•
•
•
unseptiertes Myzel
Zellwand enthält Zellulose
diploid
Wasser-Land-Übergang
Beispiel: Phytophtora infestans (Kraut- und
Knollenfäule der Kartoffel)
Zygomycetes
• zygos (gr.) = Joch
Jochbildung
• Myzel teilweise septiert
• sexueller Zyklus mit
Jochbildung
Anastomose
• Bsp.: Phycomyces
blakesleeanus
Zygospore
Ascomycetes
• ascus = Schlauch
• 4 Klassen:
– Endomycetidae:
• Hefen im weitesten Sinne
• nackte Asci
– Taphrinomycetidae
– Laboulbeniomycetidae (Insektenpathogene)
– Ascomycetidae:
• Aspergillus, Neurospora, Penicillium, ...
• septierte Hyphen
• haplo-dikaryotisch
• Hakenbildung während Ascusbildung
Hakenbildung
Meiose
Karyogamie
Kernverdopplung
postmeiotische
Teilung
reifer Ascus mit
8 Ascosporen
Fruchtkörper der Ascomycetes
Apothecium
Peziza (?)
Perithecium
Sordaria
Kleistothecium
Emericella
(Aspergillus)
Formenvielfalt der Ascomyceten
Pilobolus sp. (Dungpilz)
Morchella sp. (Morchel)
Sachaomyces cerevisiae
(Bier-/Bäckerhefe)
Basidiomycetes
• dikaryotisch
• Schnallenbildung
• 2 Klassen
– Heterobasidiomycetidae
• keine Fruchtkörper
• Brand- und Rostpilze (Phytopathogene)
– Homobasidiomycetidae
• hohe Variabilität an Fruchtkörpern
• Dauermycel
Schnallenbildung
Ziel:
Aufrechterhaltung
des dikaryotischen
Myzels
Schnalle
Formenvielfalt der Basidiomyceten
Coprinus sp. (Tintlinge)
Tremella sp. (Zitterlinge => Gallertpilze)
Gaestrum sp. (Erdstern)
Amanita sp. (Fliegenpilz)
Angewandte Mykologie
Bedeutung der Pilze
• Nahrungsmittel
• Modellorganismen (S. cerevisiae, Neurospora crassa)
• Zerstörer von organischem und anorganischem Material
(z.B. Hausschwamm)
• Toxinbildung (Aspergillus flavus; Fusarium sp.)
• Biotechnologie (Enzyme, Antibiotika; Penicillium sp.)
• Pathogene (Pflanzen, Tiere, Menschen)
• Symbionten (Mycorrhiza, Flechten)
Pilze als Nahrungsmittel
Steinpilze:
Getrocknet, 100 g ca. 9,- €
Trüffel:
Verfügbar von Oktober bis Dezember (ca.)
Preis für 100 g Weiße Trüffel: ca. 400,- €
Modellorganismen
• Neurospora crassa:
– Beadle und Tatum: ein-Gen einEnzym Hypothese (1941)
– Nobelpreis 1958
George W.
Beadle
N. crassa
• Saccharomyces cerevisiae:
– erster durchsequenzierter
Eukaryont
– DAS Modell für Eukaryonten
(unterschiedlichste
Fragestellungen)
Edward L.
Tatum
S. cerevisiae
Biotechnologie: Wein
Treber
Presse
Hefe
2 Jahre
Filtration /
Abfüllung
Reifung
im Faß
Fermentationsbottich (3Wochen)
Rotwein
Most
Trauben
werden
gemostet
Reifung
Most
Presse
Treber
Hefe
Fermentationsbottich (10-15 Tage)
5 Monate
Filtration /
Abfüllung
Weißwein
Biotechnologie: Zitronensäure
• Produktion durch Aspergillus niger
• erste industrielle aerobe Fermentation
• Medium muss eisenfrei und der Fermenter rostfrei sein,
da A. niger Citronensäure (als Sekundärmetabolit) zum
chelatieren von Eisen produziert
Citronensäure
Fe3+
Citrat
• diverse C-Quellen nutzbar (Stärke, Melasse,
Zuckerrübensirup, ....)
Pathogene Pilze
• 135 der 162 wichtigsten Pflanzenkrankheiten durch
Pilze
– Ernteausfälle von bis zu 10% möglich
• verantwortlich für weltweiten Rückgang der
Amphibienpopulationen
• beteiligt am Rückgang der Korallenriffe (?)
• ca. 150 pathogene Arten für Säugetiere
– nur einige davon häufig
Pflanzenpathogene
Beispiel: Claviceps purpurea
(Mutterkornpilz)
⇒Ergotismus (Antoniusfeuer)
⇒Blutgefäßverengung durch Überdosis
Ergotaminen
⇒Hautkribbeln, Empfindungsstörungen,
Lähmung, Wahnvorstellungen, Erbrechen,
Verwirrtheit
Isenheimer
Altar
Humanpathogene Pilze
• Inzidenz nimmt in den letzten Jahren zu
– Allergien
– kranke Menschen
– alte Menschen
• häufigste systemische Infektionen durch Cryptococcus,
Histoplasma, Aspergillus und Candida
• Gesamtkosten für Behandlung systemischer
Infektionen alleine in den USA bei 2,5 Milliarden Dollar
(1998)
– 31.200 US-$ pro Patient
Humanpathogene Pilze
Cryptococcus neoformans
Candida albicans
Humanpathogene Pilze
Histoplasma capsulatum
Aspergillus fumigatus
Lungengewebe
Beispiel: Candida albicans
- polymorphe, diploide Hefe
- assoziiert mit dem Menschen und Tieren
- Opportunist
- häufigster humanpathogener Pilz
- bis zu 70 % der Bevölkerung
Träger
- vierthäufigster Krankenhauskeim
bei Blutinfektionen
- 75 % aller Frauen haben in ihrem
Leben mind. eine vaginale
Infektion
- >90 % aller HIV-Patienten leiden
an oraler Candidose
Infektionsstadien von C. albicans
Kolonisation
oberflächliche
Infektion
tiefe
Infektion
systemische
Infektion
Adapted from Odds (1994). ASM News 60:313.
Infektionsstadien von C. albicans
Kolonisation
oberflächliche Infektion
Pilzfaktoren
Wirtsfaktoren
tiefe Infektion
systemische Infektion
Infektionsstadien von C. albicans
Pilzfaktoren
•
•
•
•
•
Kolonisation
Wachstum bei 37 °C
Nährstoffflexibilität
oberflächliche Infektion
„molecular mimicry“
Adhäsionsfaktoren
Hefe-Myzel-Übergang
(Dimorphismus)
tiefe Infektion
• „phenotypic switching“
• Thigmotropismus („contact sensing“)
• hydrolytische Enzyme z.B.
systemische Infektion
Phospholipasen, Lipasen,
Proteasen
Infektionsstadien von C. albicans
Kolonisation
oberflächliche Infektion
tiefe Infektion
systemische Infektion
Wirtsfaktoren
mikrobielle Flora,
antimikrobielle Peptide,
Haut, Schleimhaut, pH,
dichte Epithelschichten,
Zellproliferation
Makrophagen,
T-Zellen,
Antikörper (IgM, IgG),
Komplement und andere
antimikrobielle Faktoren,
Granulozyten,
wenig Eisen („Nährstoffimmunität“),
dichte Endothelschichten
Virulenzfaktoren von C. albicans:
Hefe-Myzel-Übergang (Dimorphismus)
Hefe
mögliche
Funktionen:
- stärkere Adhäsion
- Invasion
- Ausbruch aus
Wirtszellen
-Entkommen der
Immunantwort
-Nährstoffaufnahme
(z.B. Eisen)
pH 6.5
37°C
pH 4.5
25°C
MAP-Kinasen
cAMP
Hyphe
Mögliche Attribute:
- Adhäsionsmoleküle
- Thigmotropismus
- physikalische Kräfte
- Hyphen-assoziierte
Faktoren (z.B.
Ferritin-Bindung)
Noch Fragen?
Dr. Sascha Thewes
Institut für Biologie - Mikrobiologie
Königin-Luise-Str. 12-16
Raum 107
14195 Berlin
Email: [email protected]