Pythochemie III
Fakten der Pilze
• C-heterotroph
• Exoenzyme
• Parasiten
• Symbionten
• Ausbreitungsfähigkeit
• Keine Leitgefäße
• Chlorophyllfrei
• Hohe Reproduktionsraten
• Ein bis mehrere Zelkerne
• Kurze Latenzzeiten
• Ernteverluste 15-25%
• Saprophyten
• Zellwände
• Eukaryonten
Morphologie der Zellwand
• Hauptbestandteil der pilzlichen Zellwand ist Chitin
Morphologie des Thallus (Gesamtaufbau eines Pilzes)
• Vegetativer Pilzkörper
• Fädige Hyphen – Myzel, Pilzgeflecht (Oomycota und echte Pilze)
Niedere Formen
• Besteht aus Plasmodien
Höhere Formen
• Besteht aus Sprosszellen oder Myzel oder Hyphen
Entwicklunsgzyklus
• Asexuell – sexuell: Chitinpilze
Verbreitungseinheiten von Sporen
• Asexuell – anamorph (Nebenfruchtform)
Massenvermehrung und Verbreitung
o Konditionssporen
Einzeln oder kettenförmig aneinandergereiht auf Konidienträgern inseriert
o Sporangiosporen
Entwickeln sich in Sporenbehältern (Sporangien)
o Zoosporen – auch sexuell
Begeißelt, reifen in Zoosporangien heran
o Chlamydosporen
Dickwandige Zellen, Einlagerung von Pigmenten und Reservestoffen
Vermehrungsorgane von Sporen
• Sexuell – Telemorph (Hauptfruchtform)
Überdauerungs- bzw. Überwinterungsform
o Zygosporen – Zygomyceten (Jochpilze)
Von einer dicken Wand umgeben
o Oosporen – Oomyceten (Eipilze)
o Ascosporen – Ascus – Ascomyceten (Schlauchpilze)
In Fruchtkörper eingeschlossen
o Basidiosporen – Basidium – Basidiomyceten (Ständerpilze)
Lebensweise
• Heterotroph
Keine Photo- oder Chemosynthese
o Obligate Parasiten – Biotrophe
Benötigen lebens- und funktionstüchtiges Wirtsgewebe als Nährstoffquelle
o Fakultative Parasiten – Hemibiotrophe
Besiedlung von lebendem Gewebe, welches nach kurzer Zeit abgetötet wird
o Fakultative Parasiten – Nekrotrophe
Befallen lebendes Gewebe, Ernährung von selbst abgetötetem Gewebe
o Saprophyten
Ernährung ausschließlich von totem Pflanzenmaterial
o Symbionten
Ernährung in mutualistischer Beziehung zu Algen (Flechten) oder Pflanzen (Mykorrhiza)
Lebensansprüche
• Kaum Schutz gegen Austrocknung und UV-Strahlung
Feuchte, dunkle und substrat-reiche Habitate
o Feuchtigkeit
Habitate: Gewässer, obere Bodenschichten, Streuschicht feuchter Standorte
o Nährstoffe
Aufschluss polymerer organischer Substrate durch Exoenzyme
o Temperatur
Meist weiter Toleranzbereich (-5C – 55°C)
o pH-Wert
Bevorzugt sauer
o Licht
Photorezeptoren steuern Entwicklungsprozesse (z.B. Sporenbildung)
Infektionsvorgang
• Durchdringen der unverletzten Blattepidermis möglich
Pektinasen, Cellulasen und Cutinasen
o Appressorium
Haftorgane zum Anheften auf der Pflanzenoberfläche
o Haustorium
Intrazellular wachsende Hyphen zur Nährstoffaufnahme aus der Wirtszelle
Ausbreitung
• Übertragung von Pflanze zu Pflanze
o Aktives Wachstum (Wurzelpilze)
o Wasser (Regen, Bewässerung)
o Wind (Hauptverbreitungsform für Sporen)
• Überwinterung
o Überdauerndes Myzel auf Pflanzenrückständen im Boden
o Sporen am Saat- und Pflanzengut
o Dauersporen
o Sporen, geschützt in Fruchtkörpern
Sichtbare Krankheitssymptome
• Welkeerscheinungen
o Gestörter Wasserhaushalt
• Blattverfärbungen und Fleckenbildung
o Vergilben, Rotfärbungen, Braun- und Schwarzfärbung
• Absterbeerscheinungen und Fäule
o Abwerfen ganzer Pflanzenorgane, Fäulniserscheinungen
• Formveränderungen
o Verkrümmung der Stängel, Hypoplasien, Hypertrophien
• Sichtbare Pilzstadien
o Myzel und Koidienträger
Nicht sichtbare Krankheitssymptome.
Biotechnologie I
DNA: Desoxyribonukleinsäure in der Zelle
• Chloroplast (DNS, Gene)
• Zellkern (DNS, Gene)
• Mitochondrium, DNS, Gene
DNS Faden sind als Chromosomen gebündelt
Erbinformation
• Gen: Ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt auf der DANN, Es enthält die Instruktionen für die Bildung von mRNA bzw. Protein
• Jeder höhere Organismus besitzt etwa 25.000 unterschiedliche Gene
• Genom: Die Gesamtheit aller Gene einschließlich der Regulationsregionen sowie der DANN-Bereiche, denen bisher noch keine Funktion zugeordnet werden kann
• Allel: Variante eines Gens
Gene vermitteln Eigenschaften
• Weizen mit Resistenz-Gen Pflanze gesund
• Resistenz-Gen fehlt Pflanze krank
Struktur eines Gens
Gen RNA(s) Protein€
Entstehung von modernem Hochleistungsweizen durch natürliche Hybridisierung unterschiedlicher Wildarten
Biotechnologie nutzt ein Naturverfahren: Ein Boden-Bakterium als natürliche Genfähre
• Agrobacterium tumefaciens
• Wurzelhalsgallen an einem Holzgewächs
• Aus Einzelzellen regenerieren ganze Pflanzenzellen
Agrobacterium-vermittelte Genübertragung
• Ausgangsmaterial: unreifer Embryo
• Oberflächensterilisierung des Samens
o 70% EtOH 3 min
o 20% NaOCl 15 min
Methoden für den Nachweis von Transgenen
• Polymerase Chain Reaction, PCR
o DNA-template
o RNA-template
• Northern blotting Nachweis von mRNA
• Western blotting Nachweis von Protein
• Southern blotting Nachweis von genomischer DNA
Einsatz der Biotechnologie heute
• Grundlagenforschung
• Gesundheitswesen
• DNA Diagnostik
• Umweltschutz
• Landwirtschaft
• Lebensmittelproduktion
Beispiel Moderne Medizin
• Praktisch alle modernen Medikamente werden mittels Gentechnik produziert. Traditionelle Verfahren sind meist unhygienisch bzw. nicht ffizient
o Faktor VIII Präparate für „Bluter“
o Insulin für Diabetiker
o Impfstoffe
Zuchtstrategien zur Verringerung des allergischen Potentials von Pflanzen
• Pollen-basierte Nahrungsallergie
o Überreaktion des Immunsystems auf Birkenpollen
o Führt zu Möhrenallergien
o Grund: allergenes Protein PR10
• Möhrenallergien
o Grund: das allergene Protein PR10 (= Dau c 1)
o Dau c 1 akkumuliert nach Infektionen von Möhren im Feld
Skin-Prick-Test
Gluten-freier Weizen
• Unverträglichkeit gegenüber Gluten (Zoeliakie)
o 24,4 Milliarden registrierte Fälle weltweit
o Sehr viele Fälle von subklinischen Symptomen
• Gluten ist eine Komponente des Samens
• Gluten besteht aus ca. 150 verschiedenen Proteinen des Weizensamens
o Dazu gehören die immunogenen Prolin-reichen Prolamine, welche Zöliakie verursachen
• Mechanismus der Prolamin-verursachten Autoimmunität
Herstellung Gluten-freier Weizen
• Weizen mit transgenem Protein degradierendem Enzyme „Prolyl Endopeptidase“
• Klassische Züchtung von Gluten-freiem Weizen
• Knock-out Weizen mit reduzierten Prolaminen
Amylopektin-Kartoffeln für Stärkegewinnung
• Stärke = Amylose + Amylopektin (1:4)
• Amylopektin, der Hauptbestandteil in der Stärke besteht aus großen, stark verzweigten Molekülen
• Amylose hingegen liegt in langen, kettenförmigen Molekülen vor
Molekulare Aspekte der Krankheitsresistenz I
Interaktion Wirt-Schaderreger
• Kompatibel: Virulenter Schaderreger und anfällige Wirtspflanze
• Inkompatibel: Avirulenter Schaderreger und resistente Wirtspflanze
• Die meisten Pflanzen besitzen eine Basalresistenz (Nichtwirtsresistenz) und können nur von wenigen spezialisierten Pathogenen befallen werden
Pflanzliche Abwehrmechanismen
- Präformierte (präinfektionell) Abwehr
Strukturelle und biochemische Barrieren - Induzierte (postinfektionell) Abwehr
Physikalische und biochemische Barrieren
Präformierte Abwehrmechanismen
• Erste Verteidigungslinie
Mechanische und strukturelle Barrieren
• Kutikula
Schutz vor Viren, Bakterien und z.T. Pilzen
• Zellwand
Lignin und Kieselsäure erschweren Penetration durch Pilze und Insekten
• Haare
Wasserabweisend, Hindernis, Toxine (Drüsenhaare)
• Stomata und Lentizellen
Anzahl, Größe, Verteilung, Morphologie, Lokalisation und Öffnungszustand
• Konstitutive Inhibitoren
Biochemische enzymatische Abwehr
• Toxische Substanzen
Terpene, Phenole, Alkaloide u.a.
• Antimikrobiell wirkende Proteine und lytische Enzyme
Defensine, Chitinasen, Glukanasen, Proteasen
Postinfektionelle Abwehrmechanismen
• Eindringen und Translokation verhindern
• Papillenbildung: Lokale Verstärkung der Zellwand (Lignin, Kallose, Protein, Zellulose, Suberin)
• Verschiedene induzierbare post-invasive Abwehrmechanismen „Fremderkennung“
Pathogenerkennung
• Basis zur Induktion von Abwehrreaktionen ist die Erkennung von pathogen-assoziierten Oberflächenstrukturen = Elicitoren
• Elicitoren = Signalmoleküle
DAMP, MAMP, PAMP
o Bakterielle Lipopolysaccharide (LPS)
o Flagellin
o Elongation-Faktor EF-Tu
o Chitin
o Ergosterol
• MAMPs, PAMPs oder DAMPs werden von speziellen Rezeptoren wahrgenommen, welche über Signalkaskaden die Expression von Abwehrgenen auslösen
• Rezeptoren (PRR)
• Die Initiation einer derartigen basalen Resistenz wird auch als PTI bezeichnet
• MAMP/ PRR
o Flg22/FLS2
o EF-Tu/elf18 und EFR
o BAK1 co-receptor/factor
• Zeitlicher Verlauf verschiedener PRR aktivierter zellularer Ereignisse
o Sehr frühe Signalisierung
o Frühe Signalisierung
o Späte Antwort
• Die genetische Basis dieser Pflanzen-Pathogen-Interaktion und der daraus resultierenden Krankheitsresistenz wurde erstmals durch die Gen-für-Gen-Hypothese formuliert
R-Gen vermittelte Resistenz
• Die Krankheitsresistenz basiert auf der Erkennung eines Avirulenzgenproduktes (Avr, Effektor) eines bestimmten Pathogens durch ein korrespondierendes Resistenzgenprodukt (R-Gen)
Molekulare Struktur von R-Proteinen
• R-Gene kodieren 5 R-Proteinklassen
Induzierte Abwehrmechanismen
• Hypersensitivitärsreaktion (HR) und „oxidative burst“ (ROS)
Lokal begrenztes Absterben von Zellen
Durch diese lokal induzierten Abwehrreaktionen werden weitere Defensivereaktionen ausgelöst, welche die Aktivierung von Resistenzmechanismen in der gesamten Pflanze zur Folge haben (systemische Abwehr)