Cologne, Germany
December 2, 2021
A Dutch-German research collaboration has discovered how a pathogenic fungus can bypass the immune system of plants. By releasing an ‘effector’ molecule, it avoids elimination at a critical stage in its reproduction cycle / publication in ‘PNAS’
A team of biologists has identified that the pathogenic fungus Verticillium dahliae, responsible for wilt disease in many crops, secretes an ‘effector’ molecule to target the microbiome of plants to promote infection. The research was performed by the team of Alexander von Humboldt Professor Dr Bart Thomma at the University of Cologne (UoC) within the framework of the Cluster of Excellence on Plant Sciences (CEPLAS) in collaboration with the team of Dr Michael Seidl at the Theoretical Biology & Bioinformatics group of Utrecht University in the Netherlands. The study ‘An ancient antimicrobial protein co-opted by a fungal plant pathogen for in planta mycobiome manipulation’ has appeared in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Scientists increasingly recognize that an organism’s microbiome – the totality of bacteria and other microbes living in and on it – is an important component of its health. For humans as well as other animals, particular microbes inhabiting the gut and the skin have beneficial effects. This is similarly true for plants. Moreover, it has been established that plants can ‘recruit’ beneficial microbes from their environment, for instance from the soil surrounding the roots, to help them withstand disease.
At the UoC, together with Dr Nick Snelders lead author of the study Dr Thomma hypothesized that if plants can do this, perhaps some pathogens have ‘learned’ to perturb this ‘cry for help’ and disturb the plant’s microbiome in order to promote invasion. Thus, in addition to the direct suppression of the plant host’s immune responses, these pathogens can suppress immunity indirectly by affecting the plant’s healthy microbiome.
Verticillium dahliae is a well-known pathogen of many plants, including greenhouse crops like tomatoes and lettuce, but also olive trees, ornamental trees and flowers, cotton, potatoes, and others. The current study shows that the fungus secretes the antimicrobial protein VdAMP3 in order to manipulate the plant’s microbiome as an effector.
Generally, effector molecules target components of the host immune system, leading to immune suppression. The authors have now shown that these targets extend to inhabitants of the host’s microbiome: during host colonization, the VdAMP3 molecule suppresses beneficial organisms in the microbiome of the plant, leading to microbiome disturbance or ‘dysbiosis’, so that the fungus can complete its life cycle and produce progeny that can spread and start new infections.
‘In terms of evolution, the molecule that is secreted is very old. Homologs also occur in organisms that are not pathogenic on plants,’ said Thomma. ‘It looks like Verticillium “used” the molecule to “exploit” it during the process of disease development on the host. Interestingly, the molecule does not act like a broad-spectrum antibiotic that targets any microbe, but specifically against “competitor” fungi that have abilities to hinder Verticillium.’
Initially, the researchers wanted to find out whether Verticilium had ‘effectors’ in its arsenal that have antimicrobial activity. Different candidates were then tested for their ability to inhibit the growth of test microbes in the laboratory. VdAMP3 was one of these potential candidates. Follow-up experiments then showed that without the ‘effector’, other fungi – antagonists – could thrive and suppress the formation of Verticillium reproduction structures. VdAMP3 is mainly active in later stages of disease development, when Verticillium needs to produce these new reproduction structures to start infections of new hosts. However, this is not the first such molecule the scientists have identified: A year ago, they found a molecule that does not act against competing fungi, like VdAMP3, but against bacterial competitors.
‘Together, these findings demonstrate that pathogens use various molecules at various stages of the disease process to manipulate the healthy microbiome of a host to cause disease. This shows that it is important to look beyond the “binary interaction” between a pathogen and a host if we want to understand disease. Rather, we must take the entire microbiome of the host into account as well, looking at the host as a “holobiont” – the ecological unit formed by the host and all the organisms living in and on it,’ Thomma added.
In the long term, a better understanding of these mechanisms will help to develop more resilient plants and better strategies for crop protection. In the face of a growing world population, limited farmland, and the need to reduce environmental impact and pollution, one of the major aims of plant scientists is to increase the yield of field crops while minimizing our ecological footprint on the environment. ‘Learning more about these effector molecules that help pathogenic fungi infect crop plants may lead to new ways to safeguard against them,’ said Snelders.
In future studies, the authors aim to find further effector proteins with selective antimicrobial activity – from Verticillium, but also from other pathogens that have other infection strategies. ‘Unravelling how these molecules work, and how they can inhibit the one microbe while not affecting the other is important to discover novel mechanisms to target microbes, which may ultimately even lead to the development of novel antibiotics,’ Snelders concluded.
The Cluster of Excellence on Plant Sciences (CEPLAS) is a joint initiative of Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU), the University of Cologne (UoC), the Max Planck Institute for Plant Breeding Research Cologne (MPIPZ), and Forschungszentrum Jülich (FZJ). In CEPLAS, scientists are developing innovative strategies for sustainable plant production. With generous funding by the Alexander von Humboldt foundation through an Alexander von Humboldt professorship, Thomma’s recently re-located working group from Wageningen University in the Netherlands to the UoC focuses on identifying mechanisms that underlie the pathogenicity of fungi on plant hosts.
The Theoretical Biology & Bioinformatics group of Utrecht University, the Netherlands, uses computational biology, bioinformatics, modelling, and big data to address both fundamental and applied questions in the life sciences. Dr Seidl’s Fungal Evolutionary Genomics group focuses on genome evolution and function to understand how fungi evolve and adapt to novel or altered environments, both on short and long evolutionary timescales.
Publication: https://www.pnas.org/content/118/49/e2110968118
Related publication: https://rdcu.be/cby7M
Pflanzenschädling entgeht dem Immunsystem seines Wirts durch Angriff auf das Mikrobiom
Ein niederländisch-deutsches Forschungsteam hat entdeckt, wie ein pathogener Pilz das Immunsystem von Pflanzen außer Kraft setzt: Durch die Freisetzung eines Effektormoleküls entgeht er in einer kritischen Phase seines Reproduktionszyklus der Zerstörung / Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „PNAS“
Ein Team von Biologen hat gezeigt, dass Verticillium dahliae, ein pathogener Pilz verschiedener Pflanzen, ein Effektormolekül absondert um das Mikrobiom seines Wirts anzugreifen und so den Befall zu begünstigen. Die Arbeit wurde von der Arbeitsgruppe um Alexander von Humboldt-Professor Dr. Bart Thomma an der Universität zu Köln (UzK) im Rahmen des Exzellenzclusters für Pflanzenforschung CEPLAS durchgeführt. Dabei kooperierten die Kölner Forscher mit dem Team um Dr. Michael Seidl von der Theoretical Biology & Bioinformatics group der Universität Utrecht in den Niederlanden. Die Studie „An ancient antimicrobial protein co-opted by a fungal plant pathogen for in planta mycobiome manipulation“ ist in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) erschienen.
Mittlerweile ist wissenschaftlich erwiesen, dass das Mikrobiom eines Organismus – die Gesamtheit der in und auf ihm lebenden Bakterien und weiteren Mikroben – eine wichtige Komponente seiner Gesundheit ist. Bei Menschen und anderen Tieren haben bestimmte Mikroben, die den Darm und die Haut besiedeln, positive Auswirkungen. Dies gilt in ähnlicher Weise auch für Pflanzen. Weiterhin ist bekannt, dass Pflanzen nützliche Mikroben aus ihrer Umgebung – zum Beispiel aus dem Boden rund um die Wurzeln – „rekrutieren“ können damit sie ihnen helfen, Krankheiten zu widerstehen.
An der UzK stellten Dr. Nick Snelders und Erstautor der Studie Professor Dr. Bart Thomma zunächst eine Hypothese auf: Wenn Pflanzen in der Lage sind, „Helfer“ zu rekrutieren, haben einige Krankheitserreger vielleicht „gelernt“, diesen Hilferuf zu unterbinden und das Mikrobiom der Pflanze anzugreifen, um die Besiedelung zu begünstigen. Neben der direkten Unterdrückung der Immunreaktionen des Pflanzenwirts können diese Krankheitserreger also auch indirekt dessen Abwehrkräfte angreifen, indem sie das gesunde Mikrobiom der Pflanze stören.
Der Pilz Verticillium dahliae ist ein bekannter Schädling vieler Pflanzen, darunter Gewächshauskulturen wie Tomaten und Salat, aber auch von Olivenbäumen, Zierbäumen und -blumen, Baumwolle und Kartoffeln. Die aktuelle Studie zeigt, dass der Pilz das antimikrobielle Protein VdAMP3 ausschüttet, das als „Effektor“ das Mikrobiom der Pflanze manipuliert.
Im Allgemeinen richten sich Effektormoleküle gegen Teile des Immunsystems eines Wirts, um sie zu unterdrücken. Die Autoren beobachteten diesen Prozess nun beim Mikrobiom der Modellpflanze: Während der Besiedlung des Wirts durch Verticillium dahliae unterdrückt das VdAMP3-Molekül nützliche Organismen im Mikrobiom der Pflanze, was zu einer Störung des Mikrobioms, oder „Dysbiose“, führt. So kann der Pilz seinen Lebenszyklus vollenden und Nachkommen produzieren, die sich ausbreiten und neue Infektionen auslösen.
„Das abgesonderte Molekül ist evolutionär gesehen sehr alt. Homologe kommen auch in Organismen vor, die nicht pathogen für Pflanzen sind“, sagte Thomma. „Es sieht so aus, als ob Verticillium dahliae das Molekül ‚benutzt‘ hat, um es während des Prozesses der Krankheitsentwicklung auf dem Wirt ‚auszunutzen‘. Interessanterweise wirkt das Molekül aber nicht wie ein Breitband-Antibiotikum, das sich gegen jede Mikrobe richtet, sondern speziell gegen ‚konkurrierende‘ Pilze, die Verticillium dahliae bei der Ausbreitung stören können.
Zunächst wollten die Forscher herausfinden, ob Verticillium dahliae über Effektoren in seinem Arsenal verfügt, die antimikrobielle Wirkung haben. Sie testeten verschiedene Kandidaten im Labor auf ihre Fähigkeit, das Wachstum von ausgewählten Mikroben zu hemmen. VdAMP3 war ein Molekül unter diesen potentiellen Kandidaten. Spätere Experimente zeigten, dass sich ohne den Effektor andere Pilzarten – oder Antagonisten – vermehren konnten und Verticillium daran hinderten, seine Reproduktionsstrukturen auszubilden. VdAMP3 ist hauptsächlich in den späteren Phasen der Krankheit aktiv, wenn Verticillium neue Reproduktionsstrukturen bilden muss, um neue Wirte zu befallen. Doch es ist nicht das erste Molekül dieser Art, das die Wissenschaftler identifiziert haben: Vor einem Jahr entdeckten sie ein Molekül, das nicht wie VdAMP3 konkurrierende Pilze angreift, sondern Bakterien.
Thomma führt aus: „Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass Erreger in verschiedenen Krankheitsstadien unterschiedliche Moleküle nutzen, um das gesunde Mikrobiom eines Wirts zu manipulieren und die Besiedelung zu begünstigen. Daher ist es wichtig, über die ‚binäre Interaktion‘ zwischen Krankheitserreger und Wirt hinauszublicken, wenn wir Krankheiten verstehen wollen. Vielmehr müssen wir das gesamte Mikrobiom des Wirts berücksichtigen und ihn als ‚Holobionten‘ verstehen – als ökologische Einheit aus Wirt und allen in und auf ihm lebenden Organismen.“
Langfristig soll ein besseres Verständnis dieser Mechanismen dazu beitragen, widerstandsfähigere Pflanzen und bessere Strategien für den Pflanzenschutz zu entwickeln. Angesichts einer wachsenden Weltbevölkerung, begrenzter Anbauflächen und der Notwendigkeit, die Umweltbelastung und -verschmutzung zu reduzieren, wollen die Pflanzenwissenschaften langfristig landwirtschaftliche Erträge steigern und gleichzeitig die Umweltbelastung minimieren. „Das Wissen über die Effektormoleküle, mit deren Hilfe pathogene Pilze Nutzpflanzen infizieren, könnte neue Möglichkeiten des Schutzes vor ihnen eröffnen“, sagt Dr. Snelders.
In zukünftigen Studien wollen die Autoren weitere Effektorproteine mit selektiver antimikrobieller Aktivität finden – von Verticillium, aber auch von anderen Krankheitserregern, die andere Infektionsstrategien verfolgen. „Zu entschlüsseln, wie diese Moleküle funktionieren und wie sie die eine Mikrobe hemmen, während sie die andere nicht beeinträchtigen, ist wichtig. Dadurch könnten neue Mechanismen zur gezielten Bekämpfung von Mikroben entdeckt werden, was letztendlich sogar zur Entwicklung neuartiger Antibiotika führen könnte“, schließt Snelders.
Im Exzellenzcluster für Pflanzenforschung CEPLAS forschen Wissenschaftler:innen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, der Universität zu Köln, des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung Köln und des Forschungszentrums Jülich. CEPLAS-Arbeitsgruppen entwickeln innovative Strategien für eine nachhaltige Pflanzenproduktion. Mit großzügiger Finanzierung durch die Alexander von Humboldt-Stiftung im Rahmen seiner Humboldt-Professur konzentriert sich Bart Thommas Arbeitsgruppe, die kürzlich von der Universität Wageningen in den Niederlanden an die Universität zu Köln gewechselt ist, auf die Identifizierung von Mechanismen, die der Pathogenität von Pilzen auf Pflanzenwirten zugrunde liegen.
Die Arbeitsgruppe Theoretische Biologie & Bioinformatik der Universität Utrecht nutzt computergestützte Biologie, Bioinformatik, Modellierung und Big Data, um sowohl grundlegende als auch angewandte Fragen in den Biowissenschaften zu beantworten. Dr. Seidls Gruppe „Fungal Evolutionary Genomics“ konzentriert sich auf Genomevolution und -funktion um zu verstehen, wie sich Pilze entwickeln und sowohl auf kurzen als auch auf langen evolutionären Zeitskalen an neue oder veränderte Umgebungen anpassen.
Veröffentlichung: https://www.pnas.org/content/118/49/e2110968118
Zugehörige Veröffentlichung: https://rdcu.be/cby7M
Topics
Species
