Comparative genome mining of endophytic Aspergillus species reveals conserved biosynthetic gene clusters across multiple hosts
Diese Studie präsentiert die erste vergleichende Genomanalyse von endophytischen *Aspergillus fumigatus* und *Aspergillus terreus*, die aus iranischen Arzneipflanzen isoliert wurden, und offenbart eine hohe Diversität an konservierten sowie artspezifischen Biosynthese-Genclustern, die deren außergewöhnliches metabolisches Potenzial für die Entdeckung von Naturstoffen hervorheben.
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
Tief im Inneren des gesunden Gewebes von Pflanzen, für das bloße Auge unsichtbar, lebt eine verborgene Welt der Pilze. Dies sind nicht die Schimmelpilze, die Früchte verfaulen lassen, oder die Pilze, die den Waldboden durchsetzen; es sind Endophyten, mikroskopisch kleine Bewohner, die im Inneren einer Pflanze leben, ohne sie krank zu machen. Seit Jahrzehnten vermuten Wissenschaftler, dass diese verborgenen Gäste chemische Fabriken sind, die einzigartige Verbindungen produzieren, die der Pflanze helfen, Dürre zu überstehen oder Schädlinge abzuwehren. Unter den produktivsten dieser mikroskopischen Bewohner gehören Arten der Gattung Aspergillus, einer Pilzgattung, die fast überall auf der Erde vorkommt. Während einige Aspergillus-Arten dafür bekannt sind, beim Menschen Krankheiten zu verursachen oder Lebensmittel zu verderben, leben andere friedlich im Inneren von Pflanzen, und Forscher sind zunehmend daran interessiert, welche chemischen Geheimnisse sie bergen könnten. Die große Frage ist, ob die spezifische Pflanze, in der ein Pilz lebt, die Chemikalien verändert, die er produziert, oder ob der Pilz unabhängig von seiner Heimat einen standardmäßigen Satz an chemischen Werkzeugen mit sich führt. Das Verständnis dieser Beziehung ist entscheidend für die Entdeckung neuer Medikamente, da viele lebensrettende Arzneimittel, von Antibiotika bis hin zu cholesterinsenkenden Mitteln, ursprünglich in Pilzen entdeckt wurden.
In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher im Iran diese Beziehung, indem sie zwei spezifische Arten von Aspergillus-Pilzen betrachteten, die im Inneren von drei verschiedenen Heilpflanzen vorkommen. Das Team konzentrierte sich auf Aspergillus fumigatus und Aspergillus terreus, zwei Arten, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, komplexe Chemikalien zu produzieren. Sie sammelten Proben aus den Blättern von Kamillenstroh (Camel Thorn) und Stockrosen sowie aus den Wurzeln von Salzweiderich, die alle in der Region Ost-Aserbaidschan heimisch sind. Durch die sorgfältige Sterilisierung der Pflanzenoberflächen und die Kultivierung der Pilze im Labor bestätigten sie, dass A. fumigatus ein wahrer Generalist ist, der in allen drei verschiedenen Pflanzen sowie in Blättern und Wurzeln vorkommt. Im Gegensatz dazu war A. terreus selektiver und trat nur in den Wurzeln des Salzweiders und den Blättern des Kamillenstrohs auf, war jedoch in der Stockrose völlig abwesend. Dieser Unterschied darin, wo die Pilze gefunden wurden, deutet darauf hin, dass A. fumigatus hochgradig anpassungsfähig ist, während A. terreus möglicherweise wählerischer in Bezug auf seinen Wirt ist.
Um zu verstehen, warum sich diese Pilze so unterschiedlich verhalten, wandten die Forscher eine Technik namens Genom-Mining an. Anstatt die Pilze in einer Petrischale zu züchten, um zu sehen, welche Chemikalien sie produzieren, betrachteten sie direkt die genetischen Blaupausen, oder Genome, der beiden Arten. Sie verwendeten ein spezialisiertes Computerprogramm, um die DNA nach „Biosynthese-Genclustern“ zu scannen. Dies sind Gruppen von Genen, die wie eine Fließbandfabrik zusammenarbeiten, um spezifische chemische Verbindungen herzustellen. Die Analyse ergab einen frappierenden Unterschied in dem Potenzial dieser beiden Pilze. Das Genom von A. fumigatus enthielt 44 dieser Gencluster, während A. terreus über massive 73 verfügte. Diese hohe Anzahl bei A. terreus gehört zu den höchsten, die jemals für einen in einer Pflanze lebenden Pilz aufgezeichnet wurden, was darauf hindeutet, dass er eine außergewöhnliche Kapazität besitzt, eine breite Palette an chemischen Verbindungen zu erzeugen.
Als die Forscher die Gencluster der beiden Arten verglichen, fanden sie heraus, dass 15 von ihnen zwischen beiden Arten geteilt werden. Diese gemeinsamen Cluster produzieren wahrscheinlich essenzielle Werkzeuge für das Überleben, wie etwa Siderophore – Moleküle, die dem Pilz helfen, Eisen aus der Pflanzenumgebung zu greifen, ein Nährstoff, der oft knapp ist. Sie teilten auch Gene für Terpene, welche flüchtige Chemikalien sind, die bei der Kommunikation oder Verteidigung helfen können. Die Unterschiede waren jedoch ebenso wichtig. A. fumigatus besaß einzigartige Gencluster zur Herstellung von Fumagillin, einer Verbindung, die dafür bekannt ist, das Wachstum von Blutgefäßen zu stoppen, und Gliotoxin, welches das Immunsystem beeinflusst. A. terreus hingegen trug die spezifischen genetischen Anweisungen für die Herstellung von Lovastatin, einem berühmten Medikament zur Senkung des Cholesterinspiegels, sowie Terreic Acid. Die Studie zeigte, dass beide Pilze zwar ein Basiskit für das Leben in Pflanzen teilen, sie aber unterschiedliche Spezialisierungen entwickelt haben, wobei A. terreus anscheinend über eine viel größere und vielfältigere chemische Werkstatt verfügt als sein Gegenstück.
Die Forscher merkten auch an, dass die Abwesenheit von A. terreus in der Stockrose auf die eigenen chemischen Abwehrmechanismen der Pflanze zurückzuführen sein könnte, die diesen spezifischen Pilz hemmen könnten, während sie A. fumigatus erlauben, zu gedeihen. Obwohl die Studie das genetische Potenzial für diese Chemikalien identifizierte, gab der Autor zu bedenken, dass das Vorhandensein der Gene nicht garantiert, dass der Pilz die Verbindungen derzeit auch tatsächlich herstellt; viele dieser genetischen Fabriken bleiben stumm, sofern sie nicht durch spezifische Bedingungen aktiviert werden. Dennoch bestätigen die Ergebnisse, dass diese endophytischen Pilze reiche Quellen biologischer Vielfalt sind. Durch die Kartierung des genetischen Potenzials der Pilze aus iranischen Heilpflanzen unterstreicht die Studie diese als vielversprechende Kandidaten für die zukünftige Arzneimittelforschung und bietet einen Einblick in die riesige, verborgene chemische Bibliothek, die Pflanzen und ihre mikroskopischen Partner teilen.
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