Virulence in smut fungi: Insights from evolutionary comparative genomics

Pilze und Pflanzen teilen eine lange Koevolution seit ungefähr 400 Millionen Jahren. Dabei entwickelten sich unterschiedliche Arten von Interaktionen wie zum Beispiel Parasitismus, bei dem Pilze auf Kosten ihrer Wirtspflanze leben. Parasitäre Pilze gehen dabei beispielsweise biotrophe Interaktionen ein, bei denen lebendes Pflanzengewebe für die Besiedelung des Wirts erforderlich ist. Zur erfolgreichen Etablierung biotropher Wechselwirkungen sekretieren Pilze Proteine, die als Effektoren Immunantworten verhindern oder abschwächen oder zur Virulenz beitragen, indem sie die Wirtsphysiologie zu Gunsten des Pathogens verändern. Effektoren und ihre pflanzlichen Interaktionspartner evolvieren in einem molekularen Wettrüsten, bei dem Pathogen und Wirtspflanze kontinuierlich neue Effektoren und Interaktionspartner evolvieren, um Virulenz bzw. Abwehr Sicher zu stellen. In diesen Prozessen können Einzelnukleotid-Polymorphismen unter positiver Selektion und artspezifische Gene eine wichtige Rolle spielen. Brandpilze (Ordnung: Ustilaginales) sind biotrophe Pathogene, die vorwiegend Gräser befallen, darunter auch Weizen, Hafer, Gerste, Mais, Zuckerrohr und Sorghumgras. In der Vergangenheit wurden die Genome von fünf verwandten Arten mit unterschiedlichen Wirtspflanzen oder Besiedelungsstrategien sequenziert (Ustilago hordei, Ustilago maydis, Sporisorium scitamineum, Sporisorium reilianum f. sp. zeae und S. reilianum f. sp. sorghi). Außerdem wurden Methoden zur genetischen Manipulation entwickelt, was diese Gruppe ideal für Studien zur Virulenz und/oder Wirtsspezifität macht. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, inwiefern positiv selektierte oder artspezifische Effektoren zur Virulenz beitragen. Um positive Selektion zu detektieren, wurden Familien von homologen Proteinen gebildet. Positive Selektion wurde unter Verwenundg eines nichthomogenen Modells für die Evolution von Nukleotidsequenzen vorhergesagt. Die meisten Gene unter positiver Selektion wurden in den beiden formae speciales von S. reilianum detektiert. Ein Beitrag zur Virulenz konnte für sr10529 aus S. reilianum f. sp. zeae gezeigt werden. Dieses Gen ist ein Ortholog zu pit2 aus U. maydis, welches einen Inhibitor von Cysteinproteasen kodiert. Um Einblicke in mögliche Unterschiede in der Inhibition von Cysteinproteasen in Mais durch Pit2-Orthologe zu erhalten, wurde ein Hefe-2-Hybrid System verwendet. Im Gengensatz zu der Erwartung, dass Pit2-Orthologe aus Maispathogenen mit Cysteinproteasen aus Mais besser interagiren als Pit2 aus dem Sorghum pathogen, zeigten sich keine Wirt/Parasit-spezifischen Interaktionen. Daneben konnte eine Rolle in der Virulenz von S. reilianum f. sp. zeae für drei Gencluster, die positiv selektierte Gene enthalten, gezeigt werden. Neben positiver Selection wurden artspezifische Gene bioinformatisch identifiziert. Dabei wurden die meisten Kandidaten in Pseudozyma flocculosa gefunden. Die Deletion des Kandidatengenes um02193 in U. maydis konnte keinen Beitrag zur Virulenz zeigen.