Zurich, Switzerland
July 14, 2013
Echter Mehltau ist genetisch perfekt an seine Wirtspflanzen angepasst. Sexuelle Fortpflanzung und neue Erbgutkombinationen erweisen sich für den Pilz offenbar meist als Nachteil. Ungeschlechtliche Vermehrung ist für den Mehltau dagegen wesentlich erfolgreicher, wie Pflanzenbiologen der Universität Zürich und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln belegen. Dennoch leistet sich der Pilz einen sexuellen Fortpflanzungszyklus.
Echter Mehltau gehört zu den gefürchtetsten Pflanzenkrankheiten: Der parasitäre Pilz befällt Kulturpflanzen wie Weizen und Gerste und verursacht jedes Jahr hohe Ernteeinbussen. Jetzt analysierten Beat Keller und Thomas Wicker, Pflanzenbiologen der Universität Zürich, mit ihrem Team das Erbgut von Weizen-Mehltauvarianten aus der Schweiz, England und Israel. Die Gruppe von Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln untersuchte derweil das Erbgut von Gersten-Mehltau. Die in «Nature Genetics» bzw. «PNAS» publizierten Resultate decken eine lange gemeinsame Geschichte der Ko-Evolution von Wirt und Schädling auf sowie einen unerwarteten Erfolg von ungeschlechtlich gezeugten Nachkommen des Mehltau-Pilzes. Darüber hinaus geben die Daten neue Einblicke in die Kulturgeschichte von Weizen und Gerste und ihre Interaktion mit dem Mehltau-Krankheitserreger.
Ungeschlechtlich entstandene Nachkommen erfolgreicher
Mehltau pflanzt sich, wie andere Pilze auch, auf zwei Arten fort: Auf sexuellem Weg, bei dem Erbgut neu kombiniert wird, und auf ungeschlechtlichem Weg, bei dem Nachkommen und Mutterpilz erbgleich sind. Die Forscher weisen jetzt nach, dass der Erfolg der beiden Fortpflanzungsarten unterschiedlicher nicht sein könnten: «Die auf befallenen Wirtspflanzen nachgewiesenen Mehltau-Pilze haben sich nur alle paar Jahrhunderte erfolgreich sexuell fortgepflanzt. Die Vermehrung verlief hauptsächlich auf ungeschlechtlichem Weg», erläutert Thomas Wicker.
Dieser verblüffende Sachverhalt hat seine tieferen Gründe: Um die Wirtspflanze infizieren zu können, muss der Mehltau-Pilz die Abwehrmechanismen der Pflanze erfolgreich ausschalten können – der Parasit muss perfekt an seinen Wirt angepasst sein. Dazu Keller: «In einer Parasit-Wirt-Situation sind Neukombinationen des Erbgutes für den Parasit nachteilig, da sich dadurch die Anpassung an den Wirt bzw. an dessen Abwehrmechanismen verschlechtert.» Erbgleiche Nachkommen von erfolgreichen Mehltaupilzen, solchen die bereits Wirtspflanzen infizieren konnten, haben dagegen die optimalen genetischen Voraussetzungen, um ihrerseits einen Wirt befallen zu können. Gemäss Schulze-Lefert sind Weizen- bzw. Gersten-Mehltau-Nachkommen aus ungeschlechtlicher Fortpflanzung im Normalfall erfolgreicher als solche aus sexueller Fortpflanzung. Asexuelle Fortpflanzung als Erfolgsmodell scheint charakteristisch für viele parasitäre Pilze zu sein, also auch für jene, die Menschen befallen, wie zum Beispiel Fusspilze.
Sex lohnt sich doch
Anhand der Genanalysen können die Wissenschaftler weiter nachweisen, dass Mehltau bereits vor 10‘000 Jahren, also vor der eigentlichen Domestizierung von Weizen als Nutzpflanzen, auf den Vorläuferformen des späteren Weizens parasitierte. Alle späteren durch Züchtung oder spontane Mutationen entstandenen genetischen Veränderungen der Getreidepflanzen waren nie in der Lage, den Mehltau-Pilz längerfristig vom Weizen fernzuhalten. Genau an diesem Punkt zeigt sich der Vorteil der sexuellen Fortpflanzung, und weshalb sich der sonst meist erfolglos verlaufende sexuelle Fortpflanzungszyklus für die Mehltau-Pilze trotzdem lohnt: Weizen und Mehltau befinden sich in einem permanenten evolutionären Wettrüsten. «Wenn der Weizen seine Abwehrmechanismen gegen den Parasiten verbessert, muss der Pilz nachziehen können, sonst hat er verloren», erklärt Wicker. «Das ist nur mit der Neukombination des Erbgutes, sprich sexueller Fortpflanzung möglich.»
Offenbar kam es im Verlauf der Jahrtausende verschiedene Male zu sexuellem Austausch und zu Vermischungen des Erbgutes von verschiedenen Mehltau-Varianten. Auf diese Weise entstanden neue Mehltau-Varianten, die in der Lage waren, neue Weizensorten zu befallen. Die Wissenschaftler vermuten, dass der antike Getreidehandel mitverantwortlich für die Entstehung von neuen Mehltau-Varianten war.
Literatur:
Thomas Wicker et al. The wheat powdery mildew genome shows the unique evolution of an obligate biotroph. Nature Genetics. July 14, 2013. doi:10.1038/ng.2704
Stéphane Hacquard et al. Mosaic genome structure of the barley powdery mildew pathogen and conservation of transcriptional programs in divergent hosts. PNAS. May 21, 2013. doi/10.1073/pnas130607110
Sexual reproduction only second choice for powdery mildew
Genetically, powdery mildew is perfectly adapted to its host plants. Evidently, sexual reproduction and new combinations of genetic material usually prove disadvantageous for the fungus. Asexual reproduction, however, is considerably more successful for mildew, as plant biologists from the University of Zurich and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne demonstrate. Nonetheless, the fungus still allows itself a sexual reproduction cycle.
Powdery mildew is one of the most dreaded plant diseases: The parasitic fungus afflicts crops such as wheat and barley and is responsible for large harvest shortfalls every year. Beat Keller and Thomas Wicker, both plant biologists from the University of Zurich, and their team have been analyzing the genetic material of wheat mildew varieties from Switzerland, England and Israel while the team headed by Paul Schulze-Lefert at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne studies the genetic material of barley mildew. The results recently published in Nature Genetics and PNAS respectively unveil a long shared history of co-evolution between the host and the pest and the unexpected success of asexually produced mildew offspring. Moreover, the data provides fresh insights into the crop history of wheat and barley and their interaction with the mildew pathogen.
Asexually produced offspring more successful
Like other fungi, mildew reproduces in two ways: Sexually, where the genetic material is recombined, and asexually, where the offspring and the mother fungus are genetically identical. The researchers now demonstrate that the success of the two reproduction methods could not be more different: “Mildew fungi detected on afflicted host plants have only successfully reproduced sexually every few centuries, primarily reproducing asexually instead,” explains Wicker.
This baffling fact has more deep-rooted causes: In order to infect the host plant, the mildew fungus needs to be able to successfully disable the plant’s defense mechanisms – the parasite has to be perfectly adapted to its host. “In a parasite-host situation, new combinations of genetic material are a disadvantage for the parasite as the adaptation to the host and its defense mechanisms deteriorates as a result.” Genetically identical offspring of successful mildew fungi that have already been able to infect the host plant, however, have the ideal genetic prerequisites to be able to attack a host themselves. According to Schulze-Lefert, wheat and barley mildew offspring from asexual reproduction are normally more successful than their sexually reproduced counterparts. Asexual reproduction as a success model seems to be characteristic of many parasitic fungi, including those that afflict humans, such as athlete’s foot.
Sex still worthwhile
Based on the gene analyses, the scientists were also able to prove that mildew already lived parasitically on the ancestral form of wheat 10,000 years ago, before wheat were actually domesticated as crops. None of the subsequent genetic changes in the crops due to breeding or spontaneous mutations was ever able to keep the mildew fungus away from wheat in the longer term. And this is precisely where the advantage of sexual reproduction lies and why the usually unsuccessful sexual reproduction cycle is still worthwhile for the mildew fungus: Wheat and mildew are embroiled in a permanent evolutionary arms race. “If wheat improves its defense mechanisms against the parasites, the fungus has to be able to follow suit or it has lost,” explains Wicker. “That’s only possible by recombining the genetic material; in other words, sexual reproduction.”
Evidently, a sexual exchange and mixtures of the genetic material of different mildew varieties have occurred several times in the course of the millennia, giving rise to new mildew varieties that were able to attack new sorts of wheat. The scientists suspect that the grain trade in the ancient world was partly responsible for the emergence of new mildew varieties.
Literature:
Thomas Wicker et al. The wheat powdery mildew genome shows the unique evolution of an obligate biotroph. Nature Genetics. July 14, 2013. doi:10.1038/ng.2704
Stéphane Hacquard et al. Mosaic genome structure of the barley powdery mildew pathogen and conservation of transcriptional programs in divergent hosts. PNAS. May 21, 2013. doi/10.1073/pnas130607110
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Species
