The Ustilago maydis forkhead transcription factor Fox1 is involved in the regulation of genes required for the attenuation of plant defenses during pathogenic development

Der Basidiomycet Ustilago maydis ist ein phytopathogener Brandpilz, der den Maisbeulenbrand verursacht. U. maydis ist ein dimorpher Pilz, der sich in Form einer nichtpathogenen, saprophytischen haploiden Sporidie durch Knospung vermehren, oder phytopathogen, als stabiles dikaryotisches Filament innerhalb der Pflanze wachsen kann. Als biotropher Organismus ist die Komplettierung des Lebenszyklus vom Vorhandensein lebenden Wirtsgewebes abhängig. Die biotrophe Interaktion startet mit der Penetration der epidermalen Zellwand, gefolgt von einer Invagination der Wirts-Plasmamembran welche die Pilzhyphen schlauchartig umgibt, so dass eine apolplastische Interaktionszone entsteht. Diese sichert die Versorgung des Pilzes mit Nährstoffen, und bietet eine Grenzfläche für die Sekretion von pilzlichen Effektoren in die Wirtszelle. Die Etablierung und Aufrechterhaltung der kompatiblen Interaktion erfordert sowohl eine Anpassung des Pilzes an die veränderten Umwelt- und Nährstoffbedingungen, als auch das Umgehen oder die Suppression des pflanzlichen Abwehrssystems. Dynamische Prozesse während der Interaktion induzieren ein komplex reguliertes Netzwerk einschließlich einer Vielzahl von Transkritionsfaktoren welche die pathogene Entwicklung des Pilzes in planta koordinieren. Während bereits Transkriptionsregulatoren, welche die Entwicklung infektiöser dikaryotischer Hyphen und den Penetrationsmechanismus in die Wirtszelle regulieren charakterisiert wurden, konnten bisher noch keine Transkriptionsfaktoren identifiziert werden, die an der Regulation von Post-Penetrationsstadien beteiligt sind. In einer genomweiten Expressionsanalyse konnte der potenzielle Forkhead Transkriptionsfaktor Fox1 identifiziert werden. Fox1 wird spezifisch in planta exprimiert und ist essentiell für eine kompatible Interaktion. U. maydis fox1 Deletionsmutanten sind defizient bezüglich der Tumorbildung und infizierte Maispflanzen zeigen eine erhöhte Anthocyaninproduktion. Die Expressionsanalyse von infiziertem Wirtsgewebe zeigte Deregulierung von Genen deren Expression mit Zellwachstum und Zellausdehnung korreliert ist, sowie eine Induktion von Genen, die mit der Produktion von Anthocyaninen assoziiert sind. Mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Hyphen von fox1 Deletionsstämmen überwiegend in den Leitbündeln akkumulieren, während Wildtyphyphen sowohl im Mesophyll als auch in den Leitbündeln aufzufinden sind. Die Ursache für dieses konzentrierte Wachstum ist bisher nicht bekannt. Allerdings könnte die delta-fox1 abhängige Repression von Genen, involviert in Zuckertransport und dessen Metabolisierung, einen entscheidenden Einfluss auf die Fähigkeit des Pilzes, in zuckerärmeren Arealen des pflanzlichen Wirtes zu wachsen, haben. Weiterhin konnte in Expressionsanalysen gezeigt werden, dass Fox1 einen bunabhängigen spezifisch in planta exprimierten Transkriptionsregulator darstellt. fox1 regulierte Gene codieren für sekretierte Proteine einschließlich potenziellen Effektoren, die virulenzrelevanten Genclustern zugeordnet werden können. Als Konsequenz induzieren fox1 Deletionsmutanten in der Wirtspflanze Abwehrreaktionen, die mit einer Akkumulation von H2O2 in und um infizierte Zellen herum einhergeht. Phänotypisch zeigt die Infektion mit delta-fox1 Stämmen einen bisher für Mais unbeschriebenen Abwehrmechanismus, wobei proliferierende Hyphen von einer pflanzlichen Matrix aus überwiegend Cellulose und Callose umhüllt werden.