Evolution von Genomen am Beispiel pathogener Pilze - BIOspektrum

635
Evolutionsgenomik
Evolution von Genomen am Beispiel
pathogener Pilze
RONNY KELLNER, EVA H. STUKENBROCK
FUNGAL BIODIVERSITY, MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR TERRESTRISCHE
MIKROBIOLOGIE, MARBURG
The evolutionary interplay of fungal virulence and host resistance imposes
strong selective constraints that shape fungal pathogens genome
structure. Genomes of pathogenic fungi are highly diverse in architecture
and gene content. Moreover, analyses of these genomes unveiled pivotal
insights into structural diversity and evolutionary mechanisms of
genomes as well as into functional repertoires and speciation processes
of pathogens. Here, we highlight key features and evolutionary mechanisms
of fungal pathogen genomes.
DOI: 10.1007/s12268-013-0366-1
© Springer-Verlag 2013
ó Pathogene Pilze sind weltweit verbreitet
und evolvierten mit Organismen aller Eukaryotenreiche
unterschiedliche spezifische
Interaktionen (Abb. 1). Durch Einflussnahme
auf ihre Wirte können sie ganze Ökosysteme
prägen. In einigen Fällen, wie dem
Amphibienhautpilz Batrachochytrium dendrobatidis,
führen sie sogar zum Aussterben
mehrerer Wirtsarten [1]. In genetisch homogenen
Monokulturen von Kulturpflanzen wie
Reis, Weizen, Mais, Kartoffel und Soja können
pathogene Pilze durch massenhafte Vermehrung
Epidemien auslösen und zu empfindlichen
Ernteeinbußen führen. Ein Beispiel
ist der Getreideschwarzrost Puccinia graminis,
dessen Varietät Ug99 häufig zu hundertprozentigem
Ernteverlust führt und sich, seit
seinem Aufkommen 1999 in Uganda, ungehindert
in Richtung Asien ausbreitet. Für ein
fundiertes biologisches Verständnis von
Pathogenität sind pathogene Pilze eine wichtige
Modellgruppe. Genomstudien zahlreicher
Spezies lieferten wertvolle Einblicke in das
genetische Repertoire biotropher, hemibiotropher
und nekrotropher Interaktionen sowie
in die strukturelle Diversität von Genomen.
Darüber hinaus haben populationsgenomische
Studien unser Wissen über die Evolutionsgeschichte
einzelner Gruppen und die
Plastizität von Genomen maßgeblich er -
weitert.
Architektur, Plastizität und evolutive
Trends von Genomen pathogener
Pilze
In pathogenen Pilzen variieren die Genomgröße
und die Gesamtzahl codierter Gene
stark. Das reicht von ca. 2,3 Mb und weniger
als 2.700 Genen in Microsporidia-Arten bis
weit über 100 Mb in Golovinomyces orontii
und über 22.500 Genen in Puccinia sp.
(Tab. 1, [2]). Zusätzlich kann die Anzahl und
Größe von Chromosomen zwischen nah verwandten,
aber auch innerhalb von Arten,
stark variieren. Häufige Ursache für die
Expansion von Genomen ist neben einer
Anreicherung von Introns oder Genom-, Chromosom-
und Genduplikationen vor allem die
Invasion durch transposable Elemente (TE).
Die Genome von Blumeria graminis f. sp. hordei
und Leptosphaeria maculans bestehen zu
64 Prozent und 30 Prozent aus TEs. Deren
Vermehrung erfolgt über replikative Transposition.
Neben dem Zuwachs nicht-codierender
DNA führen die Integration und Replikation
von TEs vor allem zu Mutationen. Das
kann für die Funktion von Genen zum Problem
werden. Dementsprechend ist der Selek-
A B
C D
E F G
˚ Abb. 1: Abb. 1: Pathogene Pilze und ihre Wirte. A, Puccinia graminis Ug99 auf Weizen (Bild: Zac Pretorius, Evans Lagudah). B, Ustilago maydis auf
Mais. C, Leptosphaeria maculans auf Raps (Bilderkollektion der Pflanzenpathologie, ETH Zürich). D, Cryptokokkose menschlicher Lunge durch Cryptococcus
gattii (Bild: Revista do Instituto de Medicina Tropical de Sao Paulo). E, Magnaporthe oryzae auf Reis (Bild: Marc-Henri Lebrun). F, Verticillium
dahliae auf Tabak (Bild: Ronnie de Jonge, Bart Thomma). G, Alternaria alternata auf Tomate (Bild: Michelle Grabowski).
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Tab. 1: Diversität von Genomen pflanzenpathogener Pilze (nach [2]).
obligat biotroph
biotroph
RIP, ZWDE-
Transporter,
SMB Enzyme
SMB-Wege
Transporter
SSPs
Genomvergleiche
Basidiomyceten
Ascomyceten
Glucosyltransferase
ZWDE
obligat
für Virulenz
SMB-
Gencluster
hemibiotroph
nekrotroph
ZWDE
ZWDE
SPs in AT-reichen
Regionen
SMB-Gene
YXC-Effektoren
ZWDE, GPGR, PKS, NRPS
NRPS-Effluxpumpen
Reduktion/Verlust von Genfamilien nicht-repetitiv
Genzuwachs oder Expansion von Genfamilien
repetitiv
Ustilago maydis 521
Sporisorium reilianum SRZ2
Puccinia striiformis f. sp. tritici race130
Puccinia graminis f. sp. tritici CRL75-36-700
Melampsora larici-populina 98AG31
Venturia inaequalis
Zymoseptoria tritici
Septoria passerinii P63
Pyrenophora teres f. teres 0-1
Leptosphaeria maculans v23.1.3
Stagonospora nodorum SN15
Sclerotinia sclerotiorum 1980UF-70
Botrytis cinerea (2)
Golovinomyces orontii
Erysiphe piri
Blumeria graminis f. sp. hordei DH14
Magnaporthe oryzae (2)
Verticillium albo-atrum VaMs102
Verticillium dahliae VdLs17
Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici 4287
Nectria haematococca mpVI77-13-4
Fusarium verticillioides 7600
Fusarium gramineum (2)
Wirtspflanzen
Größe
in Mb
liche Auswirkungen auf die Virulenz beider
Arten [5]. Ein weiteres Beispiel sind repetitive,
subtelomere Regionen, die in Mag -
naporthe oryzae sowie in Fusarium- und
Aspergillus-Arten Virulenz-relevante Gene
tragen [2, 6].
In Größe und Anzahl einzelner Chromosomen
zeigen die Genome mancher pathogener
Pilze außergewöhnliche zwischen- und innerartliche
Variabilität. Genomvergleiche zeugen
von massiven Umstrukturierungen des
Genoms durch Insertionen, Deletionen, Duplikationen
und Translokationen [4, 7]. Die Ascomycetengruppe
Pezizomycotina charakterisiert
eine besondere Form genomischer Synthenie,
die „Mesosynthenie“. Hier bleiben die
meisten Gene homologer Chromosomen erhalten,
werden jedoch durch intrachromosomale
Umlagerungen stark durchmischt [7]. Variieren
Genome verschiedener Individuen einer
Art spricht man von genomischer Plastizität.
Sie kann kleinere Bereiche, wie die lineagespezifischen
Regionen von V. dahliae oder
ganze Chromosomen, betreffen. Bei Polymorphismen
kompletter Chromosomen werden
zwei Chromosomentypen unterschieden.
Das sind zum Einen essenzielle Chromosomen,
die in allen Individuen einer Art vorkommen
und zum Anderen akzessorische
Chromosomen, die nur in einzelnen Individuen
vertreten sind. Letztere unterscheiden
sich durch die Anreicherung repetitiver Ele-
Proteinkodierende
repetetiver
Anteil
Gene DNA in %
Mais
21 43 Divergenzcluster
6 786
39
Mais 19
6 648
34
Weizen 68
22 815 18
Mikrosyntenie
Weizen 89 schwache Syntenie 17 773 45
Pappel 101
26% LS Genfamilien
16 339 45
Apfel
38
ND ND
8 ACs
Weizen 32-40
9521–10933 18
pos. sel. SPs
Gerste
40 Regionen mit ND ND
hoher Rekomb.-
Gerste
42 rate
11 799 ND
Brassicaceae
Weizen
45
37
Mesosynthenie 12 469
10 762
66
5
multipel 38 TEs unterbrechen 14 522 8
Synthenie
multipel 39 in S.sclerotiorum 16 448 4
Arabidopsis
Erbse
160
151
ND
ND
ND
ND
Poaceae 120
5 854
64
Reis, Poaceae 40 1.7Mb LS Regionen 11 109 52
mit 316 Effektoren
multipel 30
10 221 ND
4 LS Regionen
multipel 35
10 533 ND
multipel 60
17 735 28
multipel 54 Chr. Fusionen, TE-rich 15 707 5
3 ACs LS chr., Chr. Transfer
Getreide 42
14 179 8
Weizen, Gerste
10495 SNPs
36 Telomerische Inseln 13 332 44
AC - Akzessorische Chromosomen; Chr - Chromosom; GPCR - G-Protein gekoppelter Rezeptor; LS - lineage-specific; ND - nicht dokumentiert; NRPS - nicht ribosomale
Peptidsynthase; PKS - Polyketidsynthase, RIP - repeat induced point mutation; SMB - Sekundärmetabolitbiosynthese; SNPs - single nucleotide polymorphism; SP - sekretiertes
Protein; TE - transposable element; ZWDE - Zellwand degradierende Enzyme.
tionsdruck zur Reduktion bzw. Inaktivierung
mobiler genetischer Elemente groß und
begünstigte die Evolution verschiedener
Abwehrmechanismen. Ein Pilz-spezifischer
Abwehrmechanismus ist RIP (repeat induced
point mutation). Er wirkt zu Beginn der
Meiose und generiert in repetitiven Sequenzen
des Genoms gezielt Transitionen von
Cytosin (C) zu Thymin (T) und Guanin (G) zu
Adenin (A). Die Effektivität von RIP zeigt sich
im Besonderen bei dem apathogenen Pilz Neurospora
crassa, dessen repetitive Sequenzen
durch RIP nahezu vollständig degeneriert
wurden [2]. Ähnliche Effekte, wenngleich
schwächer ausgeprägt, wurden in pathogenen
Pilzen, wie z. B. Fusarium gramineum
oder L. maculans, dokumentiert [2,3]. Neben
RIP existieren weitere Abwehrmechanismen
wie die spezifische 5’-Methylierung von Cytosinen
repetitiver Sequenzen und RNA-Interferenz
(RNAi).
Die Aktivität mobiler genetischer Elemente
und deren Abwehrmechanismen generieren
zusätzliche Mutationen. Für pathogene
Pilze könnten sie daher eine wichtige Rolle
spielen, um im evolutiven Wettstreit von Virulenz
und Resistenz durch schnellere Adaption
Schritt zu halten. Hinweise dafür wurden
z. B. in L. maculans gefunden. Hier führte die
Aktivität von TEs in Kombination mit RIP zur
Bildung von 413 AT-reichen Regionen mit
einer Größe von 1–325 kb. In diesen Regionen
liegen die Effektorgene, deren Proteine
sekretiert werden und einen Einfluss auf die
Pathogenität haben. Experimentelle Evolution
zeigte, dass TEs und RIP maßgeblich zur
funktionellen Diversifizierung und Deaktivierung
dieser Effektorgene beitrugen [3].
Eine weitere wichtige Quelle genetischer
Variabilität ist sexuelle Rekombination. Sie
generiert durch die Neuverteilung genetischen
Materials genetische Neuerungen, die
asexuellen Pathogenen in adaptiven Prozessen
nicht zur Verfügung stehen. Der asexuelle,
pathogene Ascomyzet Verticillium dahliae
scheint diese Defizite jedoch zu umgehen.
Der innerartliche Vergleich zeigte, dass
entlang TE-vermittelter Bruchstellen zahlreiche
Genomregionen zwischen und innerhalb
von Chromosomen verlagert wurden.
Darunter fand man die lineage-spezifischen
Regionen, die mehrere Effektorgene tragen
und unterschiedliche Virulenzen vermitteln
[4]. Die Konzentration Virulenz-relevanter
Gene in Genombereichen erhöhter genetischer
Variabilität ist jedoch nicht immer mit
TEs assoziiert. So enthalten Sporisorium reilianum
und Ustilago maydis mehrere Gencluster
mit 3–26 ko-regulierten Genen. Im
Vergleich beider hochgradig synthenischer
Genome fallen sie durch stark reduzierte
Sequenz homologien auf. Diese „Inseln“ genetischer
Divergenz sind angereichert mit
Effektor genen und haben teils unterschied-
BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang

mente, niedrigere GC-Gehalte und
Unterschiede in der Codonverwendung
deutlich vom Kerngenom. Des
Weiteren kommt es in der Meiose
regelmäßig zu deren Verlust oder
Disomie [8]. Obwohl akzessorische
Chromosomen „entbehrlich“ zu sein
scheinen, codieren sie teils für wichtige
Effektorgene. Dazu gehören das
für das Phytoalexin-entgiftende
Enzym Pisatindemethylase codierende
Gen pda von Haematonectria
haematococca und die zur Synthese
des wirtsspezifischen AAL-Toxins
benötigten Gene von Alternaria alternata
[2, 9]. Im Artkomplex von Fusarium
oxysporum vermitteln die lineage-spezifischen
Chromosomen
unterschiedliche Wirtsspezifitäten
[2]. In Zymoseptoria tritici zeigten
akzessorische Chromosomen hingegen
keinen Einfluss auf Pathogenität,
Wachstum oder Paarung [8].
Dennoch scheint genomische Plastizität
eine Art Plattform für genetische
Neuerungen zu sein, die adaptive
Prozesse einiger pathogener
Pilzspezies beschleunigt haben
könnte. Darüber hinaus scheinen
Bereiche genomischer Variabilität
und Plastizität auf Teilbereiche, wie
etwa Gencluster, AT-reiche Regionen
oder einzelne Chromosomen
beschränkt zu sein. So könnte der
essenzielle Teil des Ge noms vor
übermäßiger Mutagenese ge schützt
bleiben, während ein kleiner Teil des
Genoms einen Freifahrtschein für
die Evolution bereithält. Da Evolution
aber nicht im Voraus plant,
bleibt abzuwarten, was künftige Studien
über die Zu sammenhänge von
genomischer Plastizität und Adaptivität
von Pathogenen enthüllen werden.
Genomik am Beispiel
Zymoseptoria
Ein gutes Beispiel für den vielseitigen
Nutzen genomischer Da ten ist
die Pilzgattung Zymoseptoria. Sie
umfasst nah verwandte, hemibiotrophe
Ascomyceten von Süßgräsern,
wie den landwirtschaftlich relevanten
Weizenparasit Z. tritici (Abb. 2)
und die an Wildgräser angepassten
Arten Z. pseudotritici und Z. ardabiliae.
Über Genomvergleiche konnten
wertvolle Kenntnisse zur Artbildung
in Zymoseptoria gewonnen werden
[10]. Demnach korreliert die Abspaltung
der Z. tritici-Linie zeitlich mit
den ersten Domestizierungen seiner
heutigen Wirtspflanze Weizen vor
ca. 11.500 Jahren. Darüber hinaus
erwies sich Z. pseudotritici als junge
Hybridart [8]. Des Weiteren identifizierten
Genomvergleiche mehrere
Gene, die unter natürlicher Selektion
stehen. Deren Untersuchung in
Z. tritici zeigte, dass drei Gene in
Zusammenhang mit Pathogenität
stehen (Stephan Poppe et al., in Vorbereitung).
Ein weiterer, interessanter
Aspekt von Z. tritici ist die Existenz
von bis zu acht akzessorischen
Chromosomen [11]. Über deren
Ursprung und biologische Funktion
ist wenig bekannt. In Kreuzungsexperimenten
gelang es kürzlich die
Neubildung eines akzessorischen
Chromosoms in Z. tritici zu dokumentieren
und erste Hinweise auf
deren Evolution abzuleiten [12].
Perpektiven
Die Genomstudien der letzten Jahre
an verschiedensten Arten pathogener
Pilze haben unser Wissen über
die Architektur und Evolution von
Genomen entscheidend erweitert.
Aktuelle Initiativen, wie das 1000
Fungal Genomes Project (www. 1000.
fungalgenomes.org) oder die fungal
genome initiative des Broad Institute,
Cambridge, USA, sind wichtige
Schritte zum Diversität-orientierten
Ausbau dieses Wissens. Gleichzeitig
besteht angesichts stetig wachsender
Datenmengen die dringende
Aufgabe der (Weiter-)Entwicklung
von Analysesoftware zur Verarbeitung
und detaillierten Charakterisierung
genomischer Daten. Darüber
hinaus ist es für die Entschlüsselung
von Pathogenität und die
Abwendung von Gefahren für unser
Ökosystem entscheidend, die gewonnenen
Erkenntnisse einzelner Modelorganismen
auf Populationsebene
zu evaluieren. Denn intensivere
populationsgenomische Studien
unterschiedlicher Arten werden den
Ursprung neuer Virulenzen und das
Potenzial von Pathogenen stärker
beleuchten können.
ó
BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang

638 WISSENSCHAFT · SPECIAL: GENOMICS
A
¯ Abb. 2: Genomik in Zymoseptoria. A, Z. tritici in Flüssigkultur,
auf Nährmedium (Bilder: Janine Haueisen) und als Parasit auf
Weizen. B, Artbildung in Zymoseptoria (nach [8]). C, Genomweite
Sequenzhomologie (blau) zwischen Z. tritici und Z. pseudotritici
(Stukenbrock et al. 2010, PLoS Gen).
B
C
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Korrespondenzadresse:
Dr. Eva H. Stukenbrock
Max-Planck-Institut für terrestrische
Mikrobiologie
Fungal Biodiversity
Karl-von-Frisch-Straße 10
D-35043 Marburg
Tel.: 06421-178-630
eva.stukenbrock@mpi-marburg.mpg.de
AUTOREN
Ronny Kellner
Jahrgang 1979. 2000–2006 Biologiestudium an der Universität
Tübingen. 2007–2011 Promotion an der Ruhr-Universität
Bochum. Seit 2012 Postdoc am Max-Planck-Institut für
terrestrische Mikrobiologie, Marburg.
Eva H. Stukenbrock
Jahrgang 1976. 2002–2004 Biologiestudium an der Universität
von Kopenhagen, Dänemark. 2004–2007 PhD an
der ETH Zürich, Schweiz. 2008–2010 Postdoc am Bioinformatics
Research Center, Aarhus, Dänemark, 2010–2012
Projektgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für terrestrische
Mikrobiologie, Marburg. Seit 2012 Leiterin der
Max-Planck-Forschergruppe „Fungal Biodiversity“ am MPI
Marburg.
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