Untersuchung der Fallenbildung und Anwendung des Nematoden-fangenden Pilzes Duddingtonia flagrans

Nematoden-fangende Pilze (NFP) bilden komplexe Fallenstrukturen mit ihren Hyphen aus, um Nematoden zu fangen und zu verdauen. Als natürliche Antagonisten besitzen sie ein großes Potenzial zur biologischen Schädlingsbekämpfung von pflanzen- sowie tierparasitärer Nematoden. Die Bildung der Fallen ist der Hauptindikator des Wechselns vom saprothrophen zum räuberischen Lebensstil. Die molekularen Mechanismen der Fallenbildung sind bisher kaum untersucht. In dieser Arbeit wurde die Fallenbildung des NFP Duddingtonia flagrans untersucht, der dreidimensionale klebrige Fallennetzwerke ausbildet.
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Während des Ringschlusses kommt es zu einem Zelldialog, indem eine kleine Hyphenspitze in Richtung der sich bildenden Falle wächst. Normalerweise findet man in filamentösen Pilzen Zellfusionen (Anastomosen) bei Keimlingen oder vegetativen Hyphen. Im Pilz Neurospora crassa wurde ein Zelldialog-Modell entdeckt, welches durch die zeitliche und räumliche Anordnung einer Mitogen-aktivierten Proteinkinase und einem weiteren Signalprotein reguliert wird. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass das Zelldialog-Modell aus N. crassa in D. flagrans bei der vegetativen Zellfusion aber auch während der Fallenbildung konserviert ist. Die Proteine MakB, SofT, HexA, und HamA waren dabei für die Interaktion notwendig. Während SofT in oszillierenden Phasen an der Plasmamembran interagierender Zellen lokalisierte, zeigte MakB eine oszillierende Akkumulation in den Zellkernen. Die Zellfusion während der Fallenbildung war in Gendeletionsmutanten von sofT, makB, hexA und hamA gestört, und führte zu ungeschlossenen Ringfallen, die jedoch weiterhin klebrig waren und Nematoden fingen. Die Lokalisation von SofT war dabei abhängig vom Woronin Körper Protein HexA. Diese Ergebnisse deuten auf eine Regulation des Zelldialogs bei der Fallenbildung am Septum hin.
Die Fallenbildung wird bei Nährstoffmangel nicht nur durch Anwesenheit von Nematoden, sondern auch durch verschiedene Bakterien induziert. Durch einen Zufallsbefund wurden Bakterien der Gattung Delftia identifiziert, die die Fallenbildung in D. flagrans induzierten, wenn die SofT Lokalisation fehlte oder das Gen deletiert war. Für die reprimierende Funktion des Proteins war das Vorhandensein des N-Terminus mit einer konservierten Protein-Protein-Interaktionsdomäne notwendig. Damit wurde eine neue Funktion des SofT Proteins bei der Induktion der Fallenbildung beschrieben.Die Krümmung der Falle ist mit der Ascogonienbildung des Pilzes Sordaria macrospora vergleichbar, bei der der striatin-interacting phosphatase and kinase (STRIPAK) Komplex beteiligt ist. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Deletion der STRIPAK Komponente SipC (STRIP1/2) zu unvollständigen, säulenartigen Fallen mit stark verlängerten Kompartimenten führte. Die Lokalisation der Fallenspezifischen Serinprotease P12 zeigte den Verlust der Lokalisation beim Übergang von Fallen- zu vegetativem Wachstum in der ∆sipC Mutante. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Fallenkompartimente ihre Fallenidentität verloren hatten. Ein vergleichbarer Effekt wurde durch die Zugabe der Aktin-depolymerisierenden Chemikalie Cytochalasin A beobachtet. Diese Ergebnisse deuten auf eine Rolle des STRIPAK Komplexes und des Aktinzyoskeletts bei der Bestimmung der Fallenidentität hin.
Das Anwendungspotenzial von D. flagrans wurde in Infektionsstudien mit dem Wein-pathogenen Nematoden Xiphinema index untersucht. Es wurde eine X. index Zucht im Labor etabliert und Infektionsstudien an Feigenkeimlingen durchgeführt. Durch die Zugabe von D. flagrans kam es in vitro zu einer starken Verminderung von X. index. In Versuchen mit Topfkulturpflanzen wurde nach 40 Tagen Co-Inkubation eine Verringerung der Nematoden Jungtiere durch D. flagrans erzielt. Weiterhin wurden unterschiedliche NFP aus Erde eines Weinguts angereichert. Auch D. flagrans zeigte erfolgreiches Wachstum in der getesteten Erde des Weinguts, sodass in diesem Umfeld NFP zur biologischen Schädlingsbekämpfung von Nematoden einsetzbar wären.

Nematode-trapping fungi (NTF) form complex trap structures with their hyphae to trap and digest nematodes. As natural antagonists, they have great potential for biological control of plant as well as animal parasitic nematodes. The formation of traps indicates the change from saprotrophic to a predatory lifestyle. The molecular mechanisms of trap formation however are poorly understood. In this work trap formation of the NTF Duddingtonia flagrans was studied which forms three-dimensional sticky trap networks.
During ring closure, cell dialogue occurs as a small hyphal peg grows toward the forming trap. ... mehrIn fungi, cell fusions (anastomoses) are observed in germling or vegetative hyphae. In the fungus Neurospora crassa, a cell dialogue model was discovered that is regulated by the temporal and spatial arrangement of a mitogen- activated protein kinase and a signaling protein. In this work, it was shown that the cell dialogue model from N. crassa is conserved in D. flagrans during vegetative cell fusion but also during trap formation. The proteins MakB, SofT, HexA and HamA were necessary for the interaction during this process. While SofT localized in oscillatory phases at the plasma membrane of interacting cells, MakB showed oscillatory accumulation in the nuclei. Cell fusion during trap formation was disrupted in gene deletion mutants of sofT, makB, hexA, and hamA, resulting in unclosed traps that nevertheless remained sticky and trapped nematodes. The localization of SofT was thereby dependent on the Woronin body protein HexA. These results suggest a regulation of cell dialogue in trap formation at the septum.
Trap formation in nutrient-deficient conditions is induced not only by the presence of nematodes but also by various bacteria. By a chance finding, bacteria of the genus Delftia were identified that induced trap formation in D. flagrans when SofT localization was absent, or the gene was deleted. The presence of the N-terminus with a conserved protein-protein interaction domain was necessary for the repressive function of the protein. Thus, a novel function of the SofT protein in the induction of trap formation was described.
Trap curvature is comparable to ascogonia formation of the fungus Sordaria macrospora, which involves the striatin-interacting phosphatase and kinase (STRIPAK) complex. In this work, it was shown that deletion of the STRIPAK component SipC (STRIP1/2) resulted in incomplete, column-like traps with greatly elongated compartments. Localization of the trap-specific serine protease P12 showed loss of localization during the transition from trap to vegetative growth in the ∆sipC mutant. These results indicate that the trap compartments had lost their trap identity. A comparable effect was observed by the addition of the actin-depolymerizing chemical cytochalasin A. These results suggest a role for the STRIPAK complex and actin cytoskeleton in determining trap identity.
The potential of D. flagrans as a biocontrol agent was investigated in infection studies with the wine pathogenic nematode Xiphinema index. A X. index culture was established in the laboratory and infection studies were conducted on fig seedlings. Addition of D. flagrans resulted in a strong reduction of X. index in vitro. In experiments with pot-cultured plants, a reduction of nematode juveniles by D. flagrans was obtained after 40 days of co-incubation. Furthermore, different NTF were enriched from soil of a vineyard. D. flagrans also showed successful growth in the tested soil of the vineyard, so in this environment NTF would be applicable for biological control of nematodes.