Duration: 01.07.2021 to 31.07.2025

Project: P 34669 Einzelprojekte FWF

Als Schädlinge auf Pflanzen stellen phytopathogene Pilze eine enorme Herausforderung für die Landwirtschaft dar. Sogenannte Mykoparasiten werden als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Pestiziden als biologische Pflanzenschutzmittel in der Agrar-Biotechnologie eingesetzt. Dabei werden Pathogene durch spezielle Infektionsstrukturen, durch die Produktion von Metaboliten und durch die Sekretion von Enzymen von Mykoparasiten angegriffen und getötet. Einige filamentöse Bodenpilze der Gattung Trichoderma sind bekannt für ihr parasitäres Verhalten gegenüber phytopathogenen Pilzen. Trotz ihrer starren Form unterliegt die Zellwand von Pilzen im Verlauf des Wachstums einer dynamischen Umstrukturierung. Die Fähigkeit, während des Parasitismus in Wirtsorganismen einzudringen, erfordert eine adaptive Neugestaltung der Zellwand, um die Erkennung durch den Wirt und seine Abwehrreaktionen zu verhindern. Diese Flexibilität gewährleistet eine enorme Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Umweltbedingungen, aber auch eine erhöhte Resistenz gegenüber Angreifern. Die wichtigsten Bestandteile der Zellwand von Pilzen sind Chitin, Chitosan und Glucan. Insbesondere Chitosan, die deacetylierte Form von Chitin, spielt eine entscheidende Rolle bei der Resistenz von filamentösen Pilzen während der Interaktion mit Feinden. Strategien, mit denen die Zellwand dem Immunsystem des Wirts entgeht, sind allen pflanzlichen und menschlichen Krankheitserregern gemeinsam, wurden jedoch bei Mykoparasiten noch nicht untersucht. Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Charakterisierung des modularen Aufbaus der Bestandteile Chitin, Chitosan und Glucan in der Zellwand von Trichoderma atroviride und dem Zusammenspiel ausgewählter Enzyme. Mit fluoreszenzmikroskopischen Methoden wird das synergistische Verhalten von Chitin-, Chitosan- und Glucan modifizierenden Enzymen während der mykoparasitischen Interaktion und während der Hyphenentwicklung analysiert. Die Entwicklung einer spezifischen Sonde ermöglicht Nachweisprozesse von Chitosan-während der Wechselwirkungen der Pilze in vivo, und könnte auch für Schnelltests zum Nachweis anderer Schädlinge weiterentwickelt werden. Ziel ist es, ein ganzheitliches Bild der dynamischen Zellwand von Pilzen während ihres Angriffs auf einen Wirt zu erhalten. Darüber hinaus hilft Trichoderma atroviride als Mykoparasit, das Wissen über den ökologischen Landbau in Bezug auf Biokontrolle zu erweitern. Die Klimakrise erfordert ein Umdenken im Hinblick auf den Landbau und insbesondere im Hinblick auf die geänderten EU Richtlinien mit dem Ziel, den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren. Letztendlich könnte das gewonnene Wissen auch auf pathogene Pilze für Mensch, Tier und Pflanze übertragen werden und so die Entwicklung neuer und alternativer Antimykotika vorantreiben.

Englisch:

The use of biological pesticides is an environmentally friendly and sustainable alternative to petrochemical pesticides in agriculture. The filamentous fungi Trichoderma spp. are effective, promising alternatives to chemical fungicides by parasitic destruction of plant pathogens. The ability to invade host organisms during parasitism requires adaptive redesign of the cell wall to prevent recognition by the host and its defensive responses. The most important polysaccharides here are chitin, chitosan and glucan. Strategies by which the cell wall evades the host's immune system are common to all plant and human pathogens, but have not yet been investigated in mycoparasites. In this project we have shown that an abundance of chitin- and chitosan-modulating enzymes play a major role in the Trichoderma atroviride mycoparasitism. Our studies suggest that the conversion of chitin into chitosan, in particular as a masking / defense strategy, and thus as a radical scavenger to compensate for the oxidative stress caused by the host fungus. Mycoparasitism depends on the ability to invasively eat the host organisms and requires adaptive cell wall remodeling. All plant and human pathogens share invasive strategies that help escape the host's immune system. Here we describe the entire spectrum of chitin / chitosan-modifying enzymes in the mycoparasite Trichoderma atroviride with a central role in cell wall remodeling. Rapid adaptation to a variety of growth conditions, environmental stresses and host defense mechanisms such as oxidative stress depend on the interaction of these enzymes and are ultimately necessary for the success of the mycoparasitic attack. In the context of the Trichoderma research put these findings of chitin and associated polymer synthesis in mycoparasitism a fundamentally important role. Eight chitin synthases, six chitin deacetylases, other chitinolytic enzymes, including six chitosanases, transglycosylases and accessory proteins, are involved in this complex regulated process. In the project, systematic and biochemical classification, phenotypic characterization and in vitro assays to understand the mycoparasitic interaction, the importance of chitin and chitosan in vegetative development and in biocontrol in T. atroviride were confirmed. Our results generally contribute to the understanding of the molecular mechanism of chitin synthesis in filamentous fungi and in particular in mycoparasites, with the overarching goal of further improving bio-control strategies.