Die Evolution von Pilzen und Pflanzen ist durch eine lange Geschichte koevolutiver Wechselwirkungen eng miteinander verbunden, wobei Pilze eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Evolution von Landpflanzen gespielt haben und umgekehrt. Diese Wechselwirkungen reichen von mutualistischen bis hin zu parasitären Interaktionen und können sich kontextabhängig verändern. Wir untersuchen insbesondere sekretierte Pilzproteine und membranständige Rezeptoren. Zentrale Fragestellungen unserer Forschung sind unter anderem:

1.) Verständnis von Mechanismen, die es Pilzen ermöglichen, pflanzliche Immunreaktionen zu unterdrücken und zentrale Prozesse in ihren jeweiligen Wirten zu manipulieren

2.) Einblicke in die Kommunikation zwischen Pflanzen und Pilzen zu gewinnen, die für die Anpassungen der Pilze an ihre Wirte grundlegend sind

Wir sind insbesondere daran interessiert, detaillierte Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie pathogene Pilze wie Ustilago maydis Effektorproteine einsetzen, um die biotrophe Interaktion zu gestalten, und wie die Kommunikation zwischen Pilz und Pflanze im Allgemeinen erleichtert wird. Darüber hinaus wollen wir verstehen, wie Pilze der Gattung Peltigera ihren cyanobakteriellen Partner innerhalb einer symbiotischen Flechtengemeinschaft beeinflussen. Um dies zu erreichen, verfolgen wir einen integrativen Ansatz, indem wir strukturelle und biochemische Techniken (Röntgenkristallographie und Cryo-EM) mit zellbiologischen Techniken (z. B. CRISPR-Cas-basiertes Genome Editing und Fluoreszenzmikroskopie) kombinieren.

Wir sind mit CEPLAS und dem SFB1208 assoziiert und Teil des SFB1535.

Pflanzenpathogene Pilze sind die Erreger der meisten Pflanzenkrankheiten und können in infizierten Populationen zu schweren Ernteverlusten führen. Um Pflanzen zu besiedeln, haben Pilze verschiedene Strategien entwickelt, um das pflanzliche Immunsystem zu umgehen und ihre Wirtspflanzen zu manipulieren. Von großer Bedeutung sind die von den Pilzen ausgeschiedenen Proteine, die verschiedene Funktionen zur Unterstützung des Infektionsprozesses erfüllen und daher als Effektorproteine bezeichnet werden. Es wurde berichtet, dass das Genom von U. maydis für mehr als 400 dieser Effektorproteine kodiert. Bislang wurden jedoch nur einige wenige im Detail untersucht, während detaillierte mechanistische Erkenntnisse weitgehend fehlen. Viele dieser Proteine sind hochspezialisiert, und es fehlen oft strukturelle und biochemische Informationen, die ihre Funktionen beschreiben. Wir kombinieren daher strukturelle und biochemische Ansätze mit reverser Genetik, um detaillierte Informationen über die Effektorproteine zu erhalten und ihre Funktion während der Pflanzeninfektion zu verstehen.

Ergänzend zu unseren Untersuchungen über lösliche Effektorproteine wollen wir auch die Rolle von membranassoziierten Proteinen verstehen, die am Infektionsprozess beteiligt sind und bisher viel weniger untersucht wurden. Um diese Lücke zu schließen, nutzen wir bioinformatische Ansätze, um Membranproteine in Ustilago maydis zu identifizieren, die mit der Virulenz in Verbindung stehen. Diese Untersuchungen ergaben mehrere Membranproteine, die in verwandten Brandpilzen konserviert sind und Domänen mit bislang unbekannten Funktionen besitzen. Wir konnten bereits zeigen, dass zwei dieser Membranproteine namens Vmp1 und Vmp2 (für: virulence-associated membrane protein) durch noch unbekannte Mechanismen stark zur Virulenz beitragen. Unsere Ergebnisse sind ein erster Schritt, um zu verstehen, wie spezialisierte Membranproteine zur Virulenz in Brandpilzen beitragen, und bilden die Grundlage für eine eingehende molekulare Charakterisierung.

Biokommunikation zwischen Pflanze und Pilz

Die Besiedlung von Pflanzen durch pathogene Pilze ist ein komplexer Prozess, der eine Steuerung durch bestimmte Hinweise und Signale erfordert, die vom Pilz erkannt und verarbeitet werden. Zu diesem Zweck werden verschiedene Arten von membranassoziierten Rezeptorproteinen eingesetzt. Der Prozess der Paarung und der Appressoriumbildung ist bei U. maydis gut untersucht, aber es gibt nur wenige Informationen über zusätzliche Signale, die die Infektion steuern, sowie über deren Erkennung und Verarbeitung. Auf der Grundlage unseres oben beschriebenen bioinformatischen Ansatzes haben wir das derzeit bekannte Repertoire an Rezeptorproteinen in U. maydis erweitert und versuchen, ihre Rolle während der pathogenen Entwicklung zu verstehen.

Flechten gehören zu den ältesten und faszinierendsten Beispielen für komplexe mikrobielle Netzwerke. Sie sind als Pioniere bekannt, die sich in extremen Umgebungen wie borealen Wäldern, Berggipfeln und Tundren etablieren können. In Flechten geht ein Algen- oder Cyanobakterien-Photobiont eine enge Verbindung mit einem Pilzmykobionten ein, um komplexe morphologische Strukturen zu bilden. Diese Strukturen werden von dem Mykobionten gebildet und bieten Schutz, aber der Pilz nimmt auch wichtige Nährstoffe und Wasser auf. Der Photobiont wiederum betreibt Photosynthese und versorgt den Mycobionten mit Makronährstoffen wie Kohlenstoff und möglicherweise auch Lipidverbindungen. Trotz intensiver Forschung auf dem Gebiet der Flechtenbiologie sind die molekularen Mechanismen, die den Aufbau und die Aufrechterhaltung dieser symbiotischen Interaktionen bestimmen, noch nicht bekannt. Am Beispiel von Pilzen der Gattung Peltigera, die mit Nostoc-Cyanobakterien interagieren, wollen wir die wichtigsten Merkmale und Komponenten identifizieren, die für die Etablierung einer solchen Symbiose entscheidend sind.

Wir konzentrieren uns derzeit auf pilzliche kohlenhydratbindende Proteine (Lektine), die den Aufbau und die Aufrechterhaltung von interzellulären Kontakten ermöglichen, sowie auf sezernierte Effektorproteine wie antimikrobielle Proteine (AMPs), die die mikrobielle Gemeinschaft formen. Eine gründliche biochemische und funktionelle Charakterisierung wird unser derzeitiges Wissen darüber erweitern, wie diese Proteine die Mikrobiota der Flechten formen.

^#shared correspondence

S. Zweng, G. Mendoza-Rojas, F. Altegoer (2023) Simplifying recombinant protein production: Combining Golden Gate cloning with a standardized protein purification scheme. arXiv

doi

Weiland P., Dempwolff F., Steinchen W., Freibert S.A., Tian H., Glatter T., Martin R., Thomma, B.P.H.J., Bange G.^#, Altegoer F.^# (2023) Structural and functional analysis of the cerato-platanin-like effector protein Cpl1 suggests diverging functions in smut fungi. Mol Plant Pathol.

doi: 10.1111/mpp.13349

Altegoer, F.^#, Quax T.E.F., Weiland P., Nußbaum P., Giammarinaro P.I., Patro, M., Zhengqun L., Oesterhelt D., Grininger M., Albers, S.V., Bange G. ^# (2022) Structural insights into the mechanism of archaellar rotational switching. Nat Commun, 13(1):2857

doi:10.1038/s41467-022-30358-9

Feyh, R., Waeber, N. B., Prinz, S., Giammarinaro, P. I., Bange, G., Hochberg, G., Hartmann, R. K. ^#, & Altegoer, F. ^# (2021). Structure and mechanistic features of the prokaryotic minimal RNase P. Elife, 10.

doi:10.7554/eLife.70160

Weiland, P., & Altegoer, F. (2021). Identification and Characterization of Two Transmembrane Proteins Required for Virulence of Ustilago maydis. Front Plant Sci, 12, 669835.

doi:10.3389/fpls.2021.669835

Altegoer, F. ^#, Weiland, P., Giammarinaro, P. I., Freibert, S. A., Binnebesel, L., Han, X., Lepak, A., Kahmann, R., Lechner, M., & Bange, G. ^# (2020). The two paralogous kiwellin proteins KWL1 and KWL1-b from maize are structurally related and have overlapping functions in plant defense. J Biol Chem, 295, 7816-7825.

doi:10.1074/jbc.RA119.012207

Han, X., Altegoer, F., Steinchen, W., Binnebesel, L., Schuhmacher, J., Glatter, T., Giammarinaro, P. I., Djamei, A., Rensing, S. A., Reissmann, S., Kahmann, R., & Bange, G. (2019). A kiwellin disarms the metabolic activity of a secreted fungal virulence factor. Nature, 565, 650-653.

doi:10.1038/s41586-018-0857-9

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