Ancient sex compatibility genes underlie tissue differentiation in mushrooms

Komplexes Leben beruht oft auf einem Bauplan. In Tieren und Pflanzen teilt sich eine einzige befruchtete Zelle und organisiert sich zu einer Miniaturversion des Erwachsenen, komplett mit deutlichen Organen wie Herzen, Blättern oder Wurzeln. Dieser Prozess, bekannt als Embryogenese, erzeugt spezialisierte Gewebe, die spezifische Aufgaben erfüllen. Pilze hingegen bauen ihre komplexen Strukturen auf eine völlig andere Weise auf. Anstatt Zellen zu teilen, um Organe zu bilden, wachsen sie lange, fadenförmige Röhren namens Hyphen, die sich ausbreiten und miteinander verweben. Seit Jahrhunderten debattieren Wissenschaftler darüber, ob diese verwobenen Matten aus Fäden, die Pilze bilden, echte Gewebe mit spezialisierten Funktionen besitzen oder ob sie lediglich lose Aggregate ähnlicher Zellen sind. Die Frage blieb schwer zu beantworten, da die Fäden mikroskopisch klein sind und die Strukturen winzig sind, was es schwierig macht, zu erkennen, wie sich ein Teil eines Pilzes genetisch von einem anderen unterscheiden könnte.

Ein Forscherteam hat nun die genetische Aktivität eines Pilzes mit einem Detailgrad kartiert, der zuvor nie erreicht wurde, und enthüllt, dass diese Pilzstrukturen in der Tat echte Gewebe besitzen. Durch die Untersuchung des Tintenkopffilzes entdeckten sie, dass unterschiedliche Regionen des Fruchtkörpers einzigartige Gensätze aktivieren, was zu distinkten Funktionszonen führt, ganz ähnlich den Organen in einem menschlichen Körper. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass das genetische System, das steuert, wie diese Pilze Partner finden, dasselbe System ist, das das Wachstum ihrer Gewebe leitet. Dies deutet darauf hin, dass die Evolution ein uraltes Paarungssignal zweckentremdet hat, um das komplexe Problem des Aufbaus einer vielzelligen Struktur aus einfachen Fäden zu lösen.

Um diese verborgenen Muster aufzudecken, wandte sich das Forscherteam zu einem Modellpilz namens Coprinopsis cinerea. Sie begannen, den Pilz in einer kontrollierten Umgebung zu züchten und darauf zu warten, dass er seine winzigen, sich entwickelnden Fruchtkörper bildet. Mithilfe einer Technik namens Laser-Capture-Mikrodissektion schnitten sie den Pilz in extrem dünne Schichten und verwendeten einen Laser, um spezifische, mikroskopische Geweberegionen zu isolieren. Sie sammelten Proben aus neun verschiedenen Arten von Gewebe, das von der schützenden Außenhaut bis zum inneren Kern, in dem Sporen gebildet werden, reichte, sowie von den frühesten Wachstumsstadien bis zum nahezu reifen Pilz. Da die Proben so klein waren, musste das Team spezialisierte Methoden entwickeln, um die RNA zu extrahieren und zu sequenzieren, welche die Aufzeichnung darüber liefert, welche Gene an jedem spezifischen Ort aktiv sind.

Die resultierenden genetischen Karten zeigten eine klare Arbeitsteilung. Die Forscher fanden heraus, dass die äußeren Schichten des Pilzes, die das empfindliche Innere schützen, Gene exprimieren, die mit Verteidigung und Wasserresistenz zusammenhängen. Diese Regionen produzierten Proteine, die Wasser abweisen und Insekten oder andere Pilze abwehren. Im Gegensatz dazu waren die Gewebe des inneren Kerns, die Hut, Stiel und Lamellen bilden, mit Genen beschäftigt, die an schnellem Wachstum, Energieproduktion und Zellteilung beteiligt sind. Die Lamellen, die die Sporen produzieren, zeigten eine einzigartige genetische Signatur, die auf DNA-Reparatur und Replikation fokussiert war. Diese klare Trennung der genetischen Aktivität bestätigte, dass die verschiedenen Teile des Pilzes nicht nur physisch verschieden, sondern auch funktionell spezialisiert sind und als echte Gewebe mit dedizierten Rollen operieren.

Die unerwartetste Entdeckung ergab sich, als die Forscher nach den Hauptschaltern suchten, die diese Differenzierung steuern. Sie fanden heraus, dass die Gene, die in spezifischen Geweben am aktivsten waren, nicht jene sind, die typischerweise mit der Entwicklung in Tieren oder Pflanzen assoziiert werden. Stattdessen waren die entscheidenden Regulatoren Gene, die an der Paarung beteiligt sind. Bei Pilzen findet die Paarung meist vor der Bildung des Fruchtkörpers statt, wenn zwei kompatible Fäden miteinander verschmelzen. Dieser Prozess beruht auf chemischen Signalen namens Pheromone und Rezeptoren, die es Fäden ermöglichen, einen Partner zu erkennen. Die Studie enthüllte, dass dieselben Pheromon- und Rezeptorgene sowie Enzyme, die bei deren Verarbeitung helfen, während des Wachstums des Pilzes in spezifischen Geweben aktiviert werden.

Um zu beweisen, dass diese Gene tatsächlich die Bildung der Gewebe vorantreiben, erstellten die Forscher Mutanten des Pilzes, bei denen spezifische Paarungs-Gene deaktiviert wurden. Als sie diese Gene entfernten, entwickelten sich die Pilze nicht korrekt. Einige Mutanten bildeten deformierte oder zusammengleckte Hüte aus, während andere die Lamellen überhaupt nicht ausbildeten. In einigen Fällen hörten die Pilze in einem sehr frühen Stadium des Wachstums auf. Diese Ergebnisse zeigten, dass das Paarungssystem nicht nur ein Überbleibsel aus der Vergangenheit war, sondern aktiv benötigt wird, um den Pilz aufzubauen. Die Forscher schlussfolgerten, dass die Evolution dieses uralten Kommunikationssystems, das ursprünglich dazu diente, Fäden zueinander zu führen, zweckentfremdet hat, um nun den Fäden dabei zu helfen, sich zu einer komplexen, vielzelligen Struktur zu organisieren.

Die Studie untersuchte auch, wie sich diese genetischen Muster über Millionen von Jahren verändert haben. Durch den Vergleich der Gene des Pilzes mit denen anderer Pilze fand das Team heraus, dass die für die Gewebespezialisierung verantwortlichen Gene uralt sind und hunderte Millionen Jahre zurückreichen. Die spezifische Art und Weise, wie diese Gene genutzt werden, um Gewebe aufzubauen, scheint jedoch eine jüngere Innovation zu sein. Die Forscher beobachteten, dass die genetische Aktivität während der Entwicklung des Pilzes konservierter wird, was bedeutet, dass die späteren Stadien auf ältere, stabilere genetische Programme zurückgreifen. Dieses Muster unterscheidet sich von dem, was bei Tieren zu sehen ist, wo die frühesten Stadien oft die am stärksten konservierten sind. Bei Pilzen exprimiert das letzte entstehende Gewebe, die Lamellen, den ältesten Satz an Genen, was deren Rolle als primärer Ort der Sporenproduktion widerspiegelt.

Diese Arbeit liefert die erste klare genetische Erklärung dafür, wie Pilze ihre komplexen Formen aufbauen. Sie zeigt, dass Pilze trotz des Wachstums aus einfachen Fäden ein Maß an Organisation erreichen, das mit dem von Tieren und Pflanzen vergleichbar ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Fähigkeit, komplexe Gewebe zu bilden, nicht auf Organismen beschränkt ist, die durch Zellteilung wachsen, sondern auch in Organismen entstehen kann, die durch die Verlängerung von Fäden wachsen. Durch die Zweckentfremdung eines uralten Paarungssystems zur Steuerung der Entwicklung haben Pilze eine einzigartige Lösung für die Herausforderung gefunden, einen vielzelligen Körper aufzubauen. Diese Entdeckung schließt eine Lücke in unserem Verständnis darüber, wie komplexes Leben evolviert, und zeigt, dass die Natur zu ähnlichen Lösungen – spezialisierten Geweben und Organen – durch sehr unterschiedliche genetische Wege gelangen kann.