A conserved tetrapolar mating system permits sexual hybridization and recombinant host phenotypes in wheat- and barley-adapted Puccinia striiformis
Trotz signifikanter Wirtsspezialisierung und genomweiter Differenzierung zwischen Weizen- und Gersten-adaptierten *Puccinia striiformis* ermöglicht ein konserviertes tetrapolares Paarungssystem auf dem alternativen Wirt *Berberis vulgaris* eine sexuelle Hybridisierung, die lebensfähige Nachkommen mit neuartigen, rekombinanten Wirtsinteraktionsprofilen hervorbringt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Pilze, die Nutzpflanzen infizieren, spezialisieren sich oft auf eine einzige Pflanzenart, indem sie zu Experten im Angriff auf Weizen oder Gerste werden, aber daran scheitern, die andere zu befallen. Diese Spezialisierung wirkt als Barriere, die verschiedene Pilzpopulationen getrennt hält und verhindert, dass sich ihre Gene vermischen. Viele dieser Pflanzenpathogene besitzen jedoch einen verborgenen sexuellen Lebenszyklus, der auf einer völlig anderen Art von Pflanze stattfindet, oft einem Strauch oder Baum, weit entfernt von den Getreidefeldern. Auf diesem alternativen Wirt können die Pilze sich paaren und Nachkommen produzieren. Wissenschaftler haben sich lange gefragt, ob die in den Feldern beobachtete strenge Spezialisierung so tiefgreifend ist, dass sie die Paarung dieser Pilze selbst dann verhindert, wenn sie auf dem gemeinsamen Strauch aufeinandertreffen. Wenn die Barrieren stark genug sind, wären die beiden Gruppen nicht in der Lage, lebensfähige Nachkommen zu zeugen, was sie effektiv zu getrennten Arten machen würde. Wenn die Barrieren schwach sind, könnten sie sich vermischen und neue Kombinationen von Merkmalen schaffen, die es ihnen ermöglichen könnten, Pflanzen zu infizieren, die sie zuvor nicht befallen konnten.
In einer kürzlich durchgeführten Studie versuchten Forscher, diese Möglichkeit zu testen, indem sie zwei eng verwandte, aber wirtspezialisierte Formen des Streifenrostpilzes untersuchten. Eine Form, bekannt als Weizenstreifenrost, befällt Weizen, aber nicht Gerste. Der andere, der Gerstenstreifenrost, befellt Gerste, aber nicht Weizen. Trotz ihrer unterschiedlichen Gewohnheiten auf den Feldern nutzen beide Formen einen gemeinsamen Strauch namens Berberitze als Ort für ihre geschlechtliche Fortpflanzung. Die Forscher brachten diese zwei unterschiedlichen Pilzformen in einem kontrollierten Experiment auf Berberitzenpflanzen zusammen, um zu sehen, ob sie sich paaren können. Sie fanden heraus, dass die beiden unterschiedlichen Formen, die für verschiedene Nutzpflanzen spezialisiert sind, tatsächlich kreuzbar waren. Die Paarung brachte achtzehn lebensfähige Nachkommen hervor, was bewies, dass die genetischen Barrieren zwischen ihnen nicht vollständig sind. Diese Entdeckung ist bedeutend, da sie zeigt, dass diese Pilze, obwohl sie auf den Feldern unterschiedlich aussehen und agieren, dennoch die biologische Maschinerie besitzen, um ihre Gene zu vermischen, wenn sie dazu die Gelegenheit erhalten.
Die Forscher untersuchten anschließend die genetische Zusammensetzung dieser neuen Nachkommen, um zu verstehen, wie die Paarung funktionierte. Sie entdeckten, dass die Pilze ein spezifisches System zur Bestimmung der Kompatibilität nutzen, das zwei separate genetische Schalter umfasst, die sich auf verschiedenen Chromosomen befinden. Damit eine Paarung stattfinden kann, müssen die Partner über unterschiedliche Versionen dieser Schalter verfügen. Die Studie bestätigte, dass die weizenspezialisierte und die gerstenspezialisierte Elternform über kompatible Versionen dieser Schalter verfügten, was es ihnen ermöglichte, zu verschmelzen und sich fortzpflanzend. Darüber hinaus erbten die Nachkommen eine Mischung dieser Schalter von beiden Elternteilen, was zu vier verschiedenen genetischen Kombinationen führte. Dieses Muster bestätigte, dass die Paarung den erwarteten Regeln der geschlechtlichen Fortpflanzung folgte, bei der Gene beider Elternteile neu kombiniert und an die nächste Generation weitergegeben werden.
Das vielleicht Erstaunlichste war das Ergebnis, das erzielt wurde, als diese neuen Hybridpilze gegen Weizen- und Gerstenpflanzen getestet wurden. Die ursprünglichen Eltern waren strikte Spezialisten: Die Weizenform konnte keinen Gerste infizieren, und die Gerstenform konnte keinen Weizen infizieren. Die Nachkommen jedoch zeigten ein neues Verhalten. Einige der Hybriden konnten sowohl Weizen als auch Gerste infizieren – ein Merkmal, das keiner der Eltern besaß. Andere konnten eine Mischung aus Weizen- und Gerstensorten infizieren, die die Eltern nicht erreichen konnten. Dies deutet darauf hin, dass der Pilz durch die Kombination des genetischen Materials zweier spezialisierter Eltern neue Fähigkeiten generieren kann, um die Abwehrmechanismen der Pflanzen zu überwinden. Die Studie fand nicht heraus, dass die Hybriden auf allen Pflanzen „superinfektiös“ wurden; vielmehr zeigten sie ein Spektrum an neuen Fähigkeiten und konnten manchmal spezifische Sorten beider Nutzpflanzen infizieren.
Diese Arbeit zeigt, dass die Trennung zwischen diesen beiden Pilzgruppen nicht absolut ist. Obwohl sie sich entwickelt haben, um auf unterschiedliche Nutzpflanzen spezialisiert zu sein, haben sie nicht die Fähigkeit verloren, einander als Paar zu erkennen oder gesunde Nachkommen zu produzieren, wenn sie sich auf ihrem gemeinsamen sexuellen Wirt treffen. Die Forscher zeigten, dass diese sexuelle Vermischung neue genetische Kombinationen schaffen kann, die die Interaktion des Pilzes mit seinen Wirtspflanzen verändern. Im Kontext des Pflanzenschutzes bedeutet dies, dass die Evolution neuer Pilzbedrohungen nicht immer aus langsamen, graduellen Veränderungen innerhalb einer einzelnen Gruppe entstehen muss. Stattdessen könnte das gelegentliche Aufeinandertreffen verschiedener spezialisierter Gruppen auf einem Wildwirt plötzlich Hybriden hervorbringen, die die Fähigkeit besitzen, Nutzpflanzen zu infizieren, die sie zuvor nicht erreichen konnten. Die Studie liefert direkte Beweise dafür, dass Wirtsspezialisierung und die Fähigkeit zur sexuellen Vermischung nebeneinander existieren können, was die Tür für das Entstehen neuartiger Pilzstämme offen hält.
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