The microbial community living within the rust fungus Uromyces hawksworthii assessed through metagenome analysis

Rostpilze gehören zu den erfolgreichsten Pflanzenpathogenen der Erde, da sie sowohl Nutzpflanzen als auch Wildpflanzen infizieren und dabei einen komplexen Lebenszyklus durchlaufen, der oft zwei verschiedene Wirtspflanzen benötigt, um abgeschlossen zu werden. Diese Pilze produzieren im Zuge ihrer Entwicklung verschiedene Arten von Sporen, darunter Aeciosporen und Teliosporen, die als Träger für die Ausbreitung der Krankheit dienen. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass diese Sporen nicht steril sind; sie beherbergen oft eine verborgene Gemeinschaft anderer Mikroorganismen, einschließlich Bakterien und Pilzen, die auf oder in ihnen leben. Einige dieser Nachbarn sind Hyperparasiten, Organismen, die sich selbst vom Rostpilz ernähren. Das genaue Verständnis darüber, wer in diesen Sporen lebt und wie sich ihre Gemeinschaften verändern, während der Rostpilz reift, könnte neue Wege zur Bekämpfung dieser zerstörerischen Pflanzenkrankheiten eröffnen, potenziell indem man die natürlichen Feinde des Rosts dazu animiert, die Arbeit der Kontrolle zu übernehmen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie versuchten Forscher, diese unsichtbare Welt innerhalb des Rostpilzes Uromyces hawksworthii zu kartieren, einer Art, die Pflanzen aus der Familie der Mistelgewächse befällt. Das Team konzentrierte sich auf zwei spezifische Stadien des Rosts: das Aecium, das Aeciosporen produziert, und das Telium, das Teliosporen produziert. Obwohl diese beiden Stadien zuvor nur durch ihr äußeres Erscheinungsbild unter dem Mikroskop unterschieden wurden, vermuteten die Forscher, dass die in ihnen lebenden mikrobiellen Gemeinschaften grundlegend verschieden sein könnten. Um dies herauszufinden, sammelten sie Sporen von infizierten Blättern in Brasilien und nutzten eine leistungsstarke genetische Sequenzierungstechnik, um die DNA jedes Bakteriums und jeden Pilzes in den Proben zu lesen. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, die spezifischen Arten der Mikroben zu identifizieren, ohne sie im Labor züchten zu müssen, was eine umfassende Volkszählung der mikrobiellen Bewohner lieferte.

Die Analyse ergab, dass zwar einige Gruppen von Bakterien und Pilzen in beiden Stadien des Rosts vorkamen, sich die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften jedoch dramatisch veränderte, während der Rost reifte. Im frühen Aecium-Stadium wurde die bakterielle Gemeinschaft von zwei Hauptgruppen, Proteobacteria und Actinobacteria, dominiert und wies eine höhere Vielfalt an verschiedenen Bakterientypen auf. Als der Rost jedoch zum Telium-Stadium fortschritt, verschob sich die bakterielle Landschaft, wobei Firmicutes und Cyanobacteria deutlich prominenter wurden. Die lebenden Pilze zeigten ein ähnliches Muster der Veränderung. Während bestimmte Pilzklassen in beiden Stadien vorhanden waren, beherbergte die Telium-Phase eine signifikant höhere Anzahl verschiedener Pilztypen, einschließlich Gruppen wie Exobasidiomycetes und Pucciniomycetes, die in der früheren Aecium-Phase weitaus seltener waren.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die mikrobielle Gemeinschaft innerhalb einer Rostspore nicht statisch ist, sondern sich zusammen mit dem Pilzen selbst entwickelt. Die Forscher fanden heraus, dass die Unterschiede in diesen mikrobiellen Populationen so ausgeprägt waren, dass sie dazu verwendet werden konnten, das Aecium- und das Telium-Stadium zu unterscheiden, selbst wenn man nur die genetischen Daten betrachtete. Diese Unterscheidung ist entscheidend, da sie impliziert, dass sich die Umgebung innerhalb der Spore auf eine Weise verändert, die zu unterschiedlichen Zeiten verschiedene Arten von Hyperparasiten begünstigt. Beispielsweise könnten die höhere Diversität der Bakterien in der Aecium-Phase und die höhere Diversität der Pilze in der Telium-Phase darauf hindeuten, dass diese Stadien zu diesen Zeiten anfälliger für eine Infektion durch spezifische Mikroben sind oder dass sie reichere Ressourcen für diese bereitstellen. Durch das Verständnis dieser spezifischen mikrobiellen Verschiebungen könnten Wissenschaftler schließlich in der Lage sein, zu identifizieren, welche natürlichen Feinde zu bestimmten Punkten in ihrem Lebenszyklus am effektivsten den Rostpilzen angreifen, was einen gezielteren Ansatz für die biologische Bekämpfung bietet.

Die Studie bestätigte auch, dass die physischen Strukturen der Sporen, wie etwa ihre Keimöffnungen und schützenden Wände, eine Rolle dabei spielen, wie sich diese Gemeinschaften zusammensetzen. Die Forscher stellten fest, dass hyperparasitäre Pilze oft durch diese spezifischen Öffnungen eintreten, und dass die sich verändernde Natur der Sporenwand und deren chemischer Inhalt während der Entwicklung des Rosts wahrscheinlich beeinflusst, welche Mikroben überleben und gedeihen können. Obwohl die Arbeit nicht behauptet, das Problem der Rostkrankheiten gelöst zu haben, liefert sie ein klares, datengestütztes Bild davon, wie die mikrobielle Welt innerhalb dieser Sporen strukturiert ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Aecium- und Telium-Phasen nicht nur morphologisch unterschiedlich sind, sondern ökologisch distinkte Umgebungen darstellen, die jeweils eine einzigartige Gemeinschaft von Bakterien und Pilzen unterstützen, die genutzt werden könnte, um Nutzpflanzen und natürliche Ökosysteme vor diesen hartnäckigen Pathogenen zu schützen.