Germany
December 9, 2010
Die Größe eines Erbguts sagt nichts über die Reichhaltigkeit der darin enthaltenen genetischen Information aus. Ein Beispiel dafür ist der Echte Mehltau, der ganze Ernten durch feine Pilzfäden vernichtet. Der Pflanzenschädling hat zwar annähernd 120 Millionen Basenpaare und damit eines der größten Genome unter den Schlauchpilzen, aber mit nur knapp 6.000 weitaus weniger Gene. Viele Gene, die für einen unabhängigen Stoffwechsel nötig sind und die andere Pilze noch besitzen, sind ihm abhanden gekommen. Genetisch gesehen steckt der Mehltau damit in einer Sackgasse der Evolution, aus der er sich auch nicht mehr befreien kann. (Science, 10. Dezember 2010)
Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt eines Mehltau-infizierten Gerste-Blattes. Die weißlichen Pilz-Kolonien auf der Blattoberfläche stellen die typischen Krankheitssymptome dieser weitverbreiteten Pflanzen-Krankheit dar.
The photograph shows a section of a powdery mildew-infected barley leaf. The whitish fungal colonies on the leaf surface represent the typical disease symptoms of this widespread plant disease.
Image: Anja Reinstädler / MPI für Pflanzenzüchtungsforschung
Dass Mehltau während der Evolution einen Großteil seiner genetischen Komplexität eingebüßt hat, haben Ralph Panstruga vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und Kollegen eines internationalen Konsortiums durch den Vergleich von Pilzgenomen herausgefunden. Die beträchtliche Genomgröße des Mehltaus geht im Wesentlichen auf sogenannte "springende Gene" zurück. Sie bringen neue Sequenzen ins Genom ein und mischen das Erbgut immer wieder auf, indem sie sich ein- und ausbauen und dabei Fehler machen. Durch diese Umwälzungen hat der Mehltaupilz zwar eine beträchtliche Zahl an neuen Basenpaaren hinzugewonnen, gleichzeitig aber auch viele Gene verloren, weil deren Leseraster durch den Einbau des springenden Gens unterbrochen wurde.
Wie das internationale Konsortium zeigen konnte, fehlen dem Pflanzenschädling 99 Gene für eine unabhängige Lebensweise, die die Bäckerhefe, die ebenfalls zu den Schlauchpilzen zählt, noch besitzt. Dadurch kann der Mehltaupilz weder Stickstoff fixieren, noch Energie aus einer Gärung gewinnen oder bestimmte Stoffwechselprodukte aus anorganischen Verbindungen herstellen. Als Parasit braucht der Mehltaupilz diese Syntheseleistungen allerdings auch nicht mehr. Er holt sich alles, was nötig ist, von der Wirtspflanze. Panstruga: "Er kann auf diese Gene verzichten. Allerdings zu dem Preis, dass er auf eine einzige Lebensform festgelegt ist, den Parasitismus. Es gibt keinen Weg mehr zurück zu einer unabhängigen Lebensweise. Das besagt auch das Dollo Gesetz: Verloren gegangene genetische Komplexität kann nicht zurückgewonnen werden. Ausgestorbene Arten können daher auch nicht mehr aus den vorhandenen Genomen neu erfunden werden."
Dem Mehltaupilz fehlen auch viele Gene für den Angriff auf die Pflanzenzelle. Er produziert zum Beispiel nur ein paar Transportproteine. Andere Pflanzenschädlinge stellen eine ganze Kollektion her. Sie schleusen damit Gifte in die Pflanzenzelle ein oder pumpen die Proteine der pflanzlichen Abwehr nach draußen, so dass sie ihnen nicht mehr gefährlich werden können. Der Mehltaupilz bildet auch kaum Enzyme, mit denen die pflanzliche Zellwand durchlöchert und passierbar gemacht werden kann. Panstruga: "Dem Mehltau fehlt offensichtlich die genetische Ausstattung für den groben Angriff auf die Pflanzenzelle. Seine Strategie ist die des leisen Zutritts. Er versucht, dem pflanzlichen Immunsystem keine Gelegenheit für eine Abwehrreaktion zu geben. Auch das passt zu seiner parasitischen Lebensweise. Der Mehltaupilz hat kein Interesse am Untergang der Wirtspflanze. Ihm geht es um die subtile und nachhaltige Unterwerfung seines Wirtes."
Für diese Unterwerfung verwendet der Gersten-Mehltau gerade einmal vier Prozent seiner genetischen Ausstattung. Die Kölner Wissenschaftler haben nur 248 Gene identifiziert, die für eine solche Aufgabe in Frage kommen. Der Vergleich mit anderen Mehltau-Arten - etwa der von Erbse oder Arabidopsis - hat gezeigt, dass sich die drei Arten nur sieben dieser Gene teilen. Alle anderen sind auf den Gesten-Mehltau beschränkt. Diese Exklusivität zeigt, dass sich die genetische Ausstattung für das Parasitendasein in enger Anlehnung an die jeweilige Wirtspflanze entwickelt hat. Die übrigen Mehltau-Arten haben offensichtlich andere genetische Lösungen gefunden.
Verwandte Links:
[1] Mehltau-resistent und unfruchtbar
Originalveröffentlichung:
Spanu PD et al.
Genome expansion and gene loss in powdery mildew fungi reveal functional tradeoffs in extreme parasitism
Science, 10. Dezember 2010
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Powdery mildew at an evolutionary dead end - The fungal pathogen has only those genes left that are necessary for its parasitical existence
The size of a genome tells us nothing about the comprehensiveness of the genetic information it contains. The genome of powdery mildew, which can destroy entire harvests with its fine fungal threads, is a good example of this. Although the pathogen has almost 120 million base pairs, and therefore one of the largest genomes of the sac fungi, at barely 6,000, its gene count is far lower than that of comparable species. It has lost many of the genes required for separate metabolism found in other fungi. Thus, from a genetic perspective, powdery mildew is stuck in an evolutionary dead end from which it is unable to liberate itself. (Science, December 10, 2010)
Based on the comparison of fungal genomes, Ralph Panstruga from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne and his colleagues from an international research consortium discovered that powdery mildew forfeited a large part of its genetic complexity in the course of evolution. The considerable size of the mildew genome is largely due to so-called "jumping genes". These genes introduce new sequences into the genome and repeatedly mix up the genetic material by inserting and deleting themselves, causing errors as a result. Due to these changes, the powdery mildew fungus gained a considerable number of new base pairs, but it also lost a lot of genes as their reading frames were interrupted by the insertion of the jumping genes.
As the international consortium of scientists succeeded in demonstrating, the plant pathogen lacks 99 genes that enable independent life, yet are still found in baker’s yeast, another sac fungus. Therefore, powdery mildew cannot fix nitrogen, harness energy from alcoholic fermentation or produce certain metabolic products from inorganic compounds. As a parasite, powdery mildew does not require these synthesis processes; it obtains everything it needs from the host plant. Panstruga explains: "It can do without these genes. However, the price it pays is being forced to adhere to a particular way of life: parasitism. It has no way back to independent life. This is precisely what Dollo’s Law states: once lost, the very same genetic complexity can never be regained. That’s why extinct species cannot be re-established from the available genomes."
Powdery mildew also lacks many of the genes necessary for attacking the plant cell. For example, it only produces a few transport proteins; other plant diseases produce an entire collection of these proteins. They use these to infiltrate toxins into the plant cell or to pump the plant’s immune defence proteins out of the cell so that they no longer pose a threat. Powdery mildew also forms very few enzymes that can be used to perforate the wall of the plant cell wall and thereby gain entry to it. "The powdery mildew fungus obviously lacks the genetic equipment to launch a broad attack on the plant cell. Instead, its strategy is to slip into the plant unobtrusively. It tries not to give the plant immune system any opportunity for a defensive reaction. This also suits its parasitic way of life. Powdery mildew is not interested in the destruction of the host plant. What it wants is the subtle and enduring subjugation of its host", says Panstruga.
The mildew pathogen colonizing barley uses just four percent of its genetic armoury for this subjugation. The Cologne-based scientists only identified 248 genes that could possibly be used for such a task. The comparison with other mildew species - for example pea or Arabidopsis mildew - revealed that the three species share only seven of these genes. All of the others are found only in the barley mildew. This exclusivity shows that its genetic equipment developed with a view to establishing a parasitic existence in close association with the relevant host plant. The other mildew species have clearly found other genetic solutions.
Original work:
Spanu PD et al.
Genome expansion and gene loss in powdery mildew fungi reveal functional tradeoffs in extreme parasitism
Science, December 10th, 2010
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Topics
Species
