6. zusammenfassung - Ruhr

Zusammenfassung
6. Zusammenfassung
Die Brandpilzfamilie Ustilaginaceae umfasst eine Gruppe pflanzenbiotropher Pilze,
welche sich spezifisch an Wirte der Poaceae angepasst haben. Sie evolvierten mit über
250 Arten eine bemerkenswerte Artenvielfalt. Die meisten Arten parasitieren nur
eine Wirtsart. Der Kontrast zwischen hoher Wirtsspezifität und großer Artenvielfalt
wirft die Frage auf, welche Faktoren der Artbildung in dieser Gruppe zugrunde liegen.
Das Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen der sexuellen Fortpflanzung und
der Virulenz auf die Artbildung in der pflanzenbiotrophen Pilzfamilie Ustilaginaceae
zu evaluieren. Mit der Kombination von vergleichender Genetik und biologischen
Ansätzen wurde in dieser Arbeit die Spezifität des Pheromon-Rezeptor (PR)
Systems sowie seine genetische Vielfalt in 10 Arten der Ustilaginales untersucht
und umspannt damit 100 Millionen Jahre Evolution. Darüber hinaus wurden 33
Virulenzfaktoren von bis zu 16 Stämmen von Ustilago maydis analysiert, um die
evolutive Anpassungsfähigkeit seiner Virulenz zu bewerten.
Frühere Studien zeigten, dass die Paarung im Lebenszyklus der Ustilaginaceae
eine zentrale Rolle spielt, da sie die parasitische Phase durch den morphologischen
und physiologischen Übergang von saproben Hefezellen zu biotrophen Filamenten
iniziiert. Wie in anderen Pilzen wird die sexuelle Identität durch Allelvarianten zweier
genomischer Regionen bestimmt, welche ein PR System und heterodimerisierende
Homeodomänen-Transkriptionsfaktoren kodieren. Beide sind Teil eines zweiphasigen
Paarungsprozesses, welcher mit der PR-gesteuerten Erkennung, dem gerichteten
Wachstum von Konjugationshyphen und der anschließenden Plasmogamie
kompatibler Paarungspartner beginnt. Untersuchungen des PR Systems der
Ustilaginaceae zeigten in Einzelfällen interspezifische sexuelle Kompatibilität und
unterschiedliche genetische Organisationstypen. In der vorliegenden Arbeit konnte
gezeigt werden, dass in der Ustilaginaceae drei PR Allele vorherrschend sind und
sehr wahrscheinlich das plesiomorphe Merkmal der gesamten Familie darstellen.
Darüber hinaus waren die PR Loci durch einen hohen Synteniegrad gekennzeichnet.
Ihre Gene zeigten eine signifikant erhöhte, genetische Diversität im Vergleich zu
Genen der flankierenden Regionen. Des Weiteren offenbarten Paarungstests ein
großes Potential zur Hybridisierung, welches die selbe Pheromon-Signalkaskade nutzt
wie innerartliche Paarungen. Obwohl das PR System für intraspezifische, sexuelle
Kompatibilität optimiert zu sein scheint, bewahrt dessen funktionelle Plastizität die
Fähigkeit zu interspezifischem Sex.
Die Wirtsspezifität der Ustilaginaceae wird maßgeblich durch spezifische
Pathogenitätsfaktoren, sogenannte Effektoren, determiniert, welche biotrophe
Schlüsselprozesse wie die Penetration, die Ressourcennutzung und die spezifische
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Tarnung regulieren. Aufgrund ihrer co-evolutiven Bindung an die Resistenzgene des
Wirtes evolvieren Effektor-Gene in der Regel sehr schnell und zeigen charakteristische
Diversitätsmuster.
Im
Gegensatz
zu
Gen-für-Gen-Interaktionen
werden
Variationsmuster polygener Resistenz und Virulenz bisher wenig verstanden. In
dieser Hinsicht ist der Maisbeulenbrand U. maydis ein wertvoller Modellorganismus.
Seine Genomanalyse ergab eine große Anzahl an sekretierten Effektoren, welche
eine intime Interaktion mit der Wirtspflanze Zea mays etablieren sollen. Darüber
hinaus erfuhr die intraspezifische, genetische Diversität von U. maydis im Zuge
der Domestizierung von Mais wiederholte Einschnitte und Radiationen. In dieser
Arbeit wurde die intraspezifische Variabilität von 33 Virulenzcluster-Genen, putativ
sekretierter Proteine mit Sequenzdaten der ITS, 5.8S rDNA, rpb1, ef1-α, gapdh
und 15 Cluster-assoziierten Genen nicht-sekretierter Proteine verglichen. Obwohl
die Nukleotiddiversität sehr gering war, zeigten Virulenzgene deutlich mehr
Variabilität als Haushaltsgene und spiegelten die Populationsstruktur von U. maydis
wider. Des Weiteren zeigte Cluster 2A hohe Syntenie. Innerhalb Cluster 19A war
die genetische Diversität signifikant heterogen verteilt. Die bis zu 10-fach erhöhte
Substitutionsrate von Virulenzgenen im Vergleich zu Haushaltsgenen und die teils
großen Unterschiede der Variabilität zwischen einzelnen Genen bekräftigen die
Hypothese einer polygenen U. maydis - Z. mays Parasit-Wirt-Interaktion und könnte
die unterschiedliche Selektion einzelner Genprodukte während der Domestizierung
von Mais reflektieren.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die allgemeine sexuelle
Interkompatibilität dafür spricht, dass reproduktive Isolation und Speziation
innerhalb der Ustilaginaceae hauptsächlich durch postzygotische Barrieren verursacht
werden, welche in einigen Fällen wahrscheinlich durch Hybrid-basierte Genese neuer
Genotypen entstehen.
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