Die Fähigkeit, Chitin abzubauen, ist für das Überleben und den Besiedelungserfolg von pilzlichen und bakteriellen Pathogenen, von denen viele agronomisch wichtige Krankheiten verursachen, wesentlich. Bei pathogenen Bakterien, denen Chitin fehlt, spielt der Abbau von Chitin eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung von Pilzen, die Pflanzen besiedeln, und beim Überleben in Insekten, wenn die Übertragung über Vektoren erfolgt. Xylella fastidiosa ist als prioritärer Schädling in Europa gelistet. Dieses von Insekten übertragene Bakterium verursacht das OLIVE QUICK DECLINE SYNDROME (OQDS) und Krankheitsausbrüche in den letzten zehn Jahren. Die Dringlichkeit, ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie X. fastidiosa seine Wirte kolonisiert, wird durch den Mangel an Behandlungsmitteln deutlich. Es wurde beschrieben, dass eine Chitinase, chiA, von X. fastidiosa sekretiert wird und i) die Verwendung von Chitin als Kohlenstoffquelle vermittelt, möglicherweise in Insektenvektoren und von Xylem-besiedelnden Pilzen, ii) die Übertragung durch Insektenvektoren fördert und iii) für eine systemische Infektion in Pflanzen erforderlich ist, möglicherweise gegen pflanzenbesiedelnde Pilze wirkend. Unser Fokus liegt auf chiA, weil diese bakterielle Chitinase iv) eine ungewöhnliche Schleife in ihrer modellierten 3D-Struktur trägt, die die Substratspezifität bestimmen könnte, und v) wahrscheinlich Chitin-Oligomere freisetzt, die Immunantworten in Wirten von X. fastidiosa modulieren könnten. Obwohl Chitinasen seit Jahrzehnten untersucht werden, haben wir wenig Wissen über die Beziehungen zwischen Substrat, Struktur, Produkt und deren Bioaktivität, die für das Verständnis ihrer Rolle als Virulenzfaktoren von entscheidender Bedeutung sind. Hier ist unser Ziel, zwei Schlüsselfragen zu beantworten: 1. Wie baut X. fastidiosa Chitin ab? Die Analyse der chiA Aktivität und Spezifität unter Verwendung einer Reihe definierter Chitinsubstrate und verschiedener Organismenquellen wird Abbauprodukte aufdecken, die dann einer Bioaktivitätsanalyse unterzogen werden. Struktur-Funktions-Beziehungen werden in silico, in vitro und in vivo untersucht. 2. Welches immunmodulatorische Potenzial haben Chitin-Oligomere, die von X. fastidiosa produziert werden? Der Vergleich verschiedener Immunantworten auf chiA Produkte in Modell- und Wirtspflanzen sowie die Untersuchung der Mustererkennungsrezeptor-vermittelten Immunität dürften Erkenntnisse zu dieser Frage liefern. Als wichtiger Virulenzfaktor ist es unser übergeordnetes Ziel, die molekularen Details der chiA Funktion besser zu verstehen und ihre Rolle bei der systemischen Pflanzeninfektion aufzuklären. Wir stellen uns vor, dass dieses Wissen für biotechnologische Zwecke nützlich sein könnte.
Mikrobielle Gemeinschaften sind der zentrale Motor für die Umsetzung organischer Substanz in Böden, durch die letztendlich biogeochemische Stoffkreisläufe und andere wichtige Ökosystemdienstleistungen aufrechterhalten werden. Die Bedeutung der biologischen Vielfalt für diese Leistungen ist jedoch bis heute kaum verstanden. Ziel dieses Forschungsprojekt ist es, die Implikationen von Energie- und Stoffflüssen auf die Diversität und Komplexität mikrobieller Gemeinschaften zu charakterisieren, um so zu einem besseren, systembasierten Verständnis zu gelangen, wie Böden Energie und Stoffe mikrobiologisch verarbeiten. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen insbesondere durch Partizipation an den drei interdisziplinären Zentralexperimenten des neuen DFG Schwerpunktprogramms SPP2322, bei denen verschiedene Substrate, Böden und Randbindungen getestet werden. Die mikrobiellen Gemeinschaften (Bakterien, Archaeen und Pilze), werden aus DNA von Bodenproben und individuellen Bodenaggregaten mit der PCR quantifiziert und durch Sequenzierung taxonomisch zugeordnet, so dass ihre Diversität auf Basis von 16S rRNA Genen bzw. ITS Sequenzen bestimmt werden kann. So werden substratabhängige Veränderungen in zeitlicher Sukzession verfolgt und die Anwendbarkeit von optimierten Netzwerkanalysen zur Sichtbarmachung von komplexen Beziehungen innerhalb der Gemeinschaften in Reaktion auf Energie- und Substratflüssen überprüft. Diese Mikrobiom-Analysen werden mit Informationen über die Energie- und Stoffflüsse, über mikrobiellen Stoffwechsel und die Poolgrößen von Biomasse und Nekromasse, aus den drei Zentralexperimenten verknüpft. Die Daten zur mikrobiellen Abundanz, Vielfalt und Veränderlichkeit werden außerdem für die Modellbildung im SPP zur Verfügung gestellt. In diesem Vorhaben werden fünf Hypothese überprüft, um den Zusammenhang der Diversität mit der Gibbs Energie und molekularen Struktur unter Variation der Wasserverfügbarkeit und Temperatur zu überprüfen. Wir erwarten, dass die Bakterien und Pilz-Gemeinschaften auf Grund ihrer spezifischen Biologie in unterschiedlicher Weise Energie in Böden umsetzen, ebenso wie oligotrophe und kopiotrophe Bakterien. Dank unserer neuen Methode mikrobielle Metagenome aus einzelnen Bodenaggregaten untersuchen zu können, werden wir die Eignung einer optimierten Netzwerkanalysen zur Darstellung komplexer Beziehungen verschiedener Taxa ermitteln. Außerdem werden wir an mm-Gradienten den Einfluss der Detritussphäre auf den Abbau von Nekromasse messen und anhand eines Tongradienten in einem experimentellen Boden den Abbau von Chitin als Nekromasse-Indikator unter dem Einfluss von biologischer Verfügbarkeit und der Interaktion mikrobieller Gemeinschaften aus benachbarten Bodenaggregaten analysieren. - Insgesamt sollen die Ergebnisse dieses Vorhabens dazu beitragen, unser Verständnis zu verbessern, wie Energie- und Stoffflüsse mikrobielle Gemeinschaften und deren Effizienz bei der Umsetzung von organischer Bodensubstanz beeinflussen.
Arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist eine Symbiose zwischen etwa 80 % der Landpflanzen und Pilzen der Glomeromycotina, die auf dem Austausch von Nährstoffen beruht. Die Pilze erhalten von der Pflanze organischen Kohlenstoff in Form von Zuckern und Lipiden. Im Gegenzug liefern sie der Pflanze mineralische Nährstoffe und fördern so die Produktivität und Gesundheit der Pflanze. Damit die Symbiose ausgebildet werden kann, müssen die Wurzeln besiedelt werden. Die Besiedlung der Wurzeln durch AM-Pilze ist ein mehrstufiger Prozess, der durch einen pflanzlichen Signalweg gesteuert wird, der der Kompatibilität zwischen den Symbiosepartnern zugrunde liegt. Chitinfragmente und andere mögliche kleine Moleküle, die von den Pilzen freigesetzt werden, können jedoch kurzfristige Abwehrreaktionen auslösen, die unterdrückt werden müssen, um eine symbiontische Besiedlung zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass pathogene Pilze und Oomyceten kleine RNAs in Pflanzenzellen einschleusen können, um silencing von Immunitätsgenen auszulösen, ein Phänomen, welches als cross-kingdom-RNAi bezeichnet wird. Anhand der Modell-Leguminose Lotus japonicus und des Modell-AM-Pilzes Rhizophagus irregularis haben wir Hinweise dafür gefunden, dass cross-kingdom-RNAi auch in der AM-Symbiose auftritt. Hier wollen wir verstehen: i) welche Pilzstrukturen und Pflanzenzelltypen an Cross-Kingdom-RNAi in der AM-Symbiose beteiligt sind und ii) welche Rolle der Pflanzengene, gegen die die sRNAs der Pilze gerichtet sind in der Symbiose spielen können. Für AM Pilze wurde bisher keine Wirtsspezifität beschrieben, und es stellt sich die Frage, ob cross kingdom RNAi dazu beiträgt, dass AM Pilze ein breites Spektrum von Wirtspflanzen besiedeln können. Daher wollen wir untersuchen, ob iii) eine AM Pilz Art bei der Besiedlung zweier unterschiedlicher Wirtspflanzen die gleichen oder unterschiedliche sRNAs produziert und ob diese sRNAs auf orthologe Gene abzielen.
Dass weltweit ca. ein Drittel des Ertrages an pflanzlichen Nahrungsmitteln durch Pilzbefall verloren geht, ist wohlbekannt. Der vermehrte Einsatz von Fungiciden kann hier zweifelsohne rasche Abhilfe schaffen. Es ist ihm aber selbst bei Verwendung der modernsten Produkte wegen der immer noch ungenuegenden Selektivitaet und Abbaubarkeit (die meisten dieser Pesticide sind ja von abiotischer Struktur) eine Stoerung des biologischen Gleichgewichtes im Applikationsgebiet inhaerent. Verwendung von nur fuer pilzliche Organismen toxischen Naturstoffen wuerde diese Gefahr erheblich reduzieren. Im Rahmen des hier durchgefuehrten Forschungsprojektes wurden Stoffwechselwege (Synthese von Chitin, Mannit und andern pilzlichen Kohlenhydraten) aufgezeigt, welche fuer die Zielorganismen charakteristisch und entwicklungsphysiologisch relevant sind - und somit auch hervorragende Angriffspunkte fuer nur auf Organismen dieses Typs wirkende Substanzen darstellen. Die im Laufe der Ausfuehrung dieses Projektes gewonnenen Erkenntnisse sind auch fuer die Entwicklung selektiv wirkender Antimykotika von Relevanz.