Pilze neutralisieren Fichtenabwehr durch Zuckerbindung
Ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie hat eine bisher unbekannte Entgiftungsstrategie bestimmter Pilze aufgedeckt, die es ihnen ermöglicht, die chemischen Abwehrstoffe von Fichten unschädlich zu machen. Diese Pilze werden von Borkenkäfern in die Bäume eingeschleppt und erleichtern somit den Käfern das Eindringen in das Holz.
Mechanismus der Entgiftung durch Ribosylierung
Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass viele dieser Pilze die Abwehrstoffe der Fichten metabolisieren und sich rasch in der Borke ausbreiten. Zwei Pilzarten besitzen darüber hinaus die Fähigkeit, die ersten Abbauprodukte weiter zu entschärfen, indem sie das Zuckermolekül Ribose an diese binden. Durch diese Ribosylierung werden die Abwehrstoffe nicht nur neutralisiert, sondern auch stabilisiert, sodass eine Rückverwandlung in giftigere Ausgangsverbindungen ausgeschlossen ist. Der Pilz mit der stärksten Ribose-Bindung wuchs besonders gut in der Fichtenrinde, was auf einen Überlebensvorteil durch diese Fähigkeit hindeutet.
Chemische Abwehr der Fichte und Herausforderungen für Pilze
Fichten verfügen über eine effektive chemische Verteidigung, insbesondere im Phloem, dem lebenden Rindengewebe, das die Nährstoffleitung von den Nadeln zu den Wurzeln übernimmt. Dieses Gewebe enthält bis zu fünf Prozent Phenolverbindungen des Trockengewichts der Rinde, die als Abwehrstoffe gegen Fressfeinde und Krankheitserreger dienen. Trotz dieser starken Schutzmechanismen gelingt es verschiedenen Pilzarten, darunter Krankheitserregern und Symbionten von Borkenkäfern, das Phloem erfolgreich zu besiedeln.
Die Forscher verfolgten das Ziel, die biochemischen Strategien dieser Pilze zu verstehen, da einige von ihnen möglicherweise die massiven Borkenkäferplagen in europäischen Wäldern begünstigen.
Untersuchung des Pilzstoffwechsels
Mittels molekularbiologischer Methoden und chemischer Analysen wurden die Stoffwechselprodukte von Pilzen untersucht, die entweder auf natürlicher Fichtenrinde oder auf künstlichen Nährböden kultiviert wurden. Dabei entdeckten die Wissenschaftler neue Verbindungen, die nur in Gegenwart der Fichten-Abwehrstoffe gebildet wurden. Hochauflösende NMR-Spektroskopie ermöglichte die genaue Strukturaufklärung dieser Substanzen.
Einige Pilze zerlegen die toxischen Abwehrstoffe, jedoch bleiben die entstehenden Produkte weiterhin schädlich. Lediglich zwei Arten, Coprinellus radians und Cylindrobasidium ipidophilum, binden an diese Abbauprodukte Ribose an, was die Giftigkeit reduziert und eine Reaktivierung durch andere Organismen verhindert. Die Fähigkeit zur Ribosylierung scheint mit einem Wachstumsvorteil in der Fichtenrinde verbunden zu sein.
Besonderheiten der Ribosylierung
Die Identifikation der Ribose als Zuckerkomponente war eine Herausforderung, da Pentosen wie Ribose, Xylose und Arabinose das gleiche Molekulargewicht besitzen. Umfangreiche NMR-Analysen bestätigten jedoch eindeutig die Präsenz von Ribose und deren spezifische Konfiguration.
Ribosylierung beschreibt die Anbindung von Ribose an bestimmte Moleküle innerhalb der Zelle, was vielfältige Auswirkungen auf Zellkommunikation, DNA-Reparatur und Stoffwechselregulation haben kann. Im Gegensatz zur besser erforschten Glycosylierung ist die Ribosylierung bislang weniger untersucht und wurde möglicherweise übersehen, da häufig von einer Glukosebindung ausgegangen wird.
Zusammenspiel verschiedener Pilzarten
Von zwölf untersuchten Pilzarten, die mit Borkenkäfern assoziiert sind, zeigten nur zwei die Fähigkeit zur Ribosylierung. Diese energieintensive Entgiftungsstrategie ist daher selten, aber besonders wirkungsvoll. Cylindrobasidium ipidophilum, ein bekannter Symbiont von Borkenkäfern, neutralisiert die Fichtenabwehrstoffe und fördert dadurch das Wachstum weiterer pilzlicher Gemeinschaften in den Fraßgängen.
Die Forscher vermuten, dass verschiedene Pilzarten unterschiedliche Komponenten der Fichtenabwehr abbauen und so gemeinsam ein Konsortium bilden, das die Verteidigungsmechanismen der Fichte überwinden kann. Dies stellt einen entscheidenden Faktor für den erfolgreichen Befall durch Borkenkäfer dar.
Ausblick und Anwendungsmöglichkeiten
- Identifikation des für die Ribosylierung verantwortlichen Enzyms
- Untersuchung der Verbreitung dieser Fähigkeit bei weiteren Pilzarten
- Analyse des Einflusses der Ribosylierung auf das Mikrobiom in Borkenkäferfraßgängen
- Erforschung der Auswirkungen auf die Fitness der Borkenkäfer
- Entwicklung neuer Strategien zur Bekämpfung von Borkenkäferbefall durch gezielte Beeinflussung der mikrobiellen Gemeinschaften in Fichten
Kontaktinformationen
Dr. Ruo Sun
Abteilung Biochemie, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena
E-Mail: rsun@ice.mpg.de
Prof. Dr. Jonathan Gershenzon
Abteilung Biochemie, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena
Telefon: +49 3641 57-1300
E-Mail: gershenzon@ice.mpg.de
Originalpublikation
Nimbkar, S. K. et al. (2026): Fungi associated with Norway spruce and its bark beetles detoxify spruce defense compounds by conjugation to alpha-ribose. The ISME Journal, wrag230.
https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag230
