Pflanzenkrankheit Maisbrand macht mit chirurgischer Präzision seinen Wirt wehrlos

Der Maisbeulenbrand befällt die oberirdischen Teile der Maispflanze. Wie Wissenschafter aus Wien und Bonn nun in einer im Fachjournal «New Phytologist» veröffentlichten Arbeit zeigen, macht der Maisbrand mit chirurgischer Präzision seinen Wirt wehrlos.

Der Erreger des Maisbeulenbrands (Ustilago maydis) gehört zur Pilzfamilie der Brandpilze. Er befällt vorwiegend Mais, erkennbar ist dies durch auffällige Wucherungen, den sogenannten Brandbeulen. In der mexikanischen Küche gelten befallene Maiskörner als Spezialität, sie werden «Cuitlacoche» beziehungsweise «Maistrüffel» genannt.

Forscher des Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) der Akademie der Wissenschaft (ÖAW) in Wien wollten mit ihren deutschen Kollegen vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben und der Universität Bonn herausfinden, wie der Pilz diese Wucherungs-Prozesse fördert. Sie suchten dazu nach Erbanlagen, die ihn befähigen, das Zellwachstum des Mais zu steuern.

Pilz nutzt Hormon

Es stellte sich heraus, dass der Pilz den sogenannten Auxin-Signalweg für seine Zwecke nutzt. Auxin ist ein wohlbekanntes Pflanzenhormon, das für viele Vorgänge in der Pflanze verantwortlich ist und etwa den Spross in Richtung Licht und die Wurzeln entgegen der Schwerkraft wachsen lässt. Armin Djamei, der am Inres-Institut der Universität Bonn die Abteilung Pflanzenpathologie leitet und am GMI in Wien diese Arbeit begonnen hat, und seine Kollegen identifizierte fünf Gene, mit denen der Pilz unter anderem den Auxin-Signalweg der Wirtspflanze manipuliert.

Diese fünf Erbanlagen, Tip1 bis Tip5 genannt, sind für die Produktion von Molekülen (Effektoren) verantwortlich, die an ein Protein der Maispflanze binden, das «Topless» genannt wird. Es handelt sich dabei um eine zentrale Schaltstelle, die verschiedene Signalwege in der Pflanze unterdrückt.

Die von den fünf Tip-Genen produzieren Pilzeffektoren heben diese Unterdrückung auf – und zwar ganz spezifisch für Signalwege, die dem Pilz nützen, beispielsweise den Auxin-gesteuerten Wachstumssignalweg. Andere von Topless kontrollierte Signalwege werden dagegen nicht beeinflusst. «Der Pilz agiert bildlich gesprochen mit chirurgischer Präzision», betonte Djamei in einer Mitteilung. «Er erreicht exakt, was er erreichen muss, um die Maispflanze bestmöglich infizieren zu können.»

Topless spielt wichtige Rolle

Das massive Wachstum des wuchernden Gewebes verschlinge Energie und Ressourcen, die dann für die Verteidigung gegen den Pilz fehlen. Zudem findet der Maisbrand in den Wucherungen ein ideales Nährstoffangebot vor und kann sich dort gut vermehren.

Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Infektionsprozesse bei wichtigen Pflanzenkrankheiten besser zu verstehen. Denn eine Reihe von Krankheitserregern greifen in den Auxin-Signalweg der von ihnen befallenen Wirte ein – wie genau, ist oft nicht vollständig verstanden.

Die Wissenschafter konnten zeigen, dass die Tip-Effektoren vom Maisbrand auch in den Auxin-Signalweg anderer Pflanzenarten eingreifen. Möglicherweise spielt auch Topless eine wichtige Rolle. Denn das Protein ist schon vor vielen hundert Millionen Jahren entstanden und hat sich seitdem in seiner zentralen Rolle kaum verändert. Es existiert daher nicht nur in Mais, sondern in ähnlicher Form auch in allen anderen Landpflanzen.