Abhängig von der Kernphase können Rostpilze nicht nur auf verschiedene Wirtspflanzen wechseln, sondern entwickeln zusätzlich morphologisch unterschiedliche Infektionsstrukturen (Gold und Mendgen, 1991). Aufgrund ihrer Bedeutung für die Verbreitung und Vermehrung, wurde der Schwerpunkt in dieser Arbeit auf die dikaryotische Uredosporeninfektion gelegt.
Abbildung 1-2 Schematische Darstellung einer Uredosporeninfektion.
Die erste Infektionsstruktur, die von einer Uredospore (U) nach der Anheftung auf einem Blatt ausgebildet wird, ist der Keimschlauch (KS). Der thigmotrophe Reiz einer Spaltöffnung führt zur Ausbildung eines Appressoriums (A), mit dessen Hilfe der Pilz in den Interzellularraum der Pflanze eindringt. Ausgehend von einem substomatären Vesikel (SV) bildet der Pilz zahlreiche Interzellularhyphen (IH), welche in der Lage sind Haustorienmutterzellen (HM) zu differenzieren. Mithilfe der Haustorienmutterzellen werden Haustorien (H) in den pflanzlichen Zellen ausgebildet. Während junge Haustorien (JH) rund und unverzweigt sind, zeigen alte Haustorien (AH) eine starke Lappung (verändert nach Harder (1984)).
Uredosporen von U. fabae und U. striatus durchlaufen nach ihrer Keimung eine Reihe spezialisierter Infektionsstrukturen (Abbildung 1-2), um die Wirtspflanze durch die Spalt-öffnung zu besiedeln und in die Mesophyllzellen einzudringen (Mendgen und Hahn, 2002).
Während die Infektionsstrukturen der frühen Infektionsstadien wie Keimschlauch, Appressorium, substomatäres Vesikel, Interzellularhyphen sowie in geringem Umfang auch Haustorienmutterzellen, in vitro induziert werden können, ist die weitere Differenzierung des Pilzes nur in planta möglich (Deising et al., 1991). Für die Penetration in die Wirtszelle ist zunächst die Kontaktaufnahme der Spitze einer Interzellularhyphe mit der pflanzlichen Zell-wand wichtig, welche daraufhin zu einer Haustorienmutterzelle differenziert. Nur wenig ist bisher über die Regulierung der Differenzierung dieser Zelle bekannt sowie über den Mechanismus, welcher zur Penetration der Wirtszelle führt (Hardham, 2001).
Das für obligat biotrophe Parasiten charakteristische Haustorium (Abbildung 1-2) wird gebildet, indem sich eine dünne Penetrationshyphe durch die Zellwand schiebt und nach kurzem Spitzenwachstum in eine Phase der Expansion über geht, in der der Haustorien-körper differenziert (Harder und Chong, 1984;
Mendgen und Hahn, 2002). Ein typisches Merkmal dieser Haustorien ist die Abgrenzung des Haustorien-körpers vom pflanzlichen Cytoplasma durch eine Plasmamembran, welche als extrahaustorielle Membran bezeichnet wird (Littlefield und Heath, 1979). Ob diese besonders differenzierte Membran durch Einstülpen der pflanzlichen Plasmamembran gebildet wird und somit das Kompartiment, in dem sich der Pilz befindet, ähnlicher dem Apoplasten ist, oder ob die Membran ähnlich phagocytotischen Prozessen gebildet wird und somit das Kompartiment, dem einer Vakuole gleicht, konnte bisher nicht hinreichend geklärt werden (Parniske, 2000). Auffällig ist jedoch, dass die extrahaustorielle Membran nicht durchgehend glatt ist, sondern Einstülpungen aufweist, die in das Cytoplasma hineinreichen (Mendgen et al., 1991) und bei einigen Rosten eine starke Verzweigung aufweisen (Mims et al., 2002). Die Funktion dieser
Abbildung 1-3 Schema eines Haus-toriums (H) mit Haustorienmutterzelle (HM).
PZ: pilzliche Zellwand, R: Halsring, G:
Golgi, ER: endoplasmatisches Reticulum, PN: pflanzlicher Nucleus, HN: haus-torieller Nucleus, E: Einstülpungen der extrahaustoriellen Membran, EM: haustorielle Membran, EHM: extra-haustorielle Matrix (verändert nach Prof.
Dr. K. Mendgen)
Strukturen sowie ihre Entstehung konnte bisher jedoch nicht geklärt werden. Zwischen der extrahaustoriellen Membran und der Zellwand des Pilzes entsteht ein Kompartiment, welches als extrahaustorielle Matrix bezeichnet wird (Bushnell, 1972; Knauf et al., 1989). Eine Ab-trennung dieses Kompartiments vom pflanzlichen Apoplasten erfolgt im Bereich Elektronen-dichter Strukturen am Hals des Haustoriums. Diese als Halsring bezeichnete Struktur, besitzt eine funktionelle Ähnlichkeit zu den Caspary-Streifen der Pflanze wie experimentell gezeigt werden konnte (Heath, 1976).
Die Matrix selbst enthält bei Rostpilzen sowohl Bestandteile der pilzlichen Zellwand, als auch Bestandteile der primären pflanzlichen Zellwand, wobei die pflanzlichen Bestandteile zur extrahaustoriellen Membran hin zunehmen (Chong et al., 1986; Stark-Urnau und Mendgen, 1995). Die Konsistenz der Matrix wird häufig als gelartig postuliert, da sie insbesondere an isolierten Haustorien eine deutliche Quellung zeigt (Hahn und Mendgen, 1992).
Neben den kovalent vernetzten fibrillären Zellwandbestandteilen, welche stabilisierend gegen Expansion wirken, besitzt die pilzliche Wand ebenfalls eine Matrix, welche vor Kompression schützt (Wessels, 1994). In dieser Matrix, welche auch als Zellwandmatrix bezeichnet wird (Farkas, 1979), befinden sich zahlreiche Glykoproteine, die entweder frei in der Matrix diffundieren oder über Glykosyl-Phosphatidylinositol-Anker (GPI-Anker) sowie interne Repeats (Proteins with internal repeats, Pir) an der Zellwand verankert sind (Carlile et al., 2001). Insbesondere die Zellwand-gebundenen Proteine, sind für die Porosität und damit die Durchlässigkeit der Zellwand verantwortlich und verhindern so, dass lösliche Proteine wie z. B. Invertasen oder Vorstufen von Zellwandproteinen durch Diffusion verloren gehen (De Groot et al., 2005). Der Bereich zwischen Zellwand und Plasmamembran des Pilzes, in welchem die Proteine zurückgehalten werden, wird als periplasmatischer Spalt bezeichnet (Pitson et al., 1999).
Betrachtet man den Differenzierungsprozess eines Haustoriums weiter, so beginnt, nachdem die Expansionsphase des Haustoriums abgeschlossen und ein Zellkern aus der Haustorien-mutterzelle in das Haustorium eingewandert ist, die Differenzierung eines Wachstumspols und damit das intrazelluläre Spitzenwachstum des Haustoriums (Harder und Chong, 1984).
Die Bedeutung eines solchen Haustoriums bei der Wirt-Parasit-Interaktion wird deutlich, wenn man resistente Pflanzen betrachtet, in denen der Rostpilz trotz Ausbildung von Interzellularhyphen abstirbt und nicht in der Lage ist sich zu vermehren (Kemen et al., 2005a). Die Resistenz beruht meist darauf, dass keine Haustorien gebildet werden können (prähaustorielle Resistenz) oder, dass bei Penetration des Pilzes und Ausbildung eines Haustoriums in der Wirtszelle, eine hypersensitive Reaktion ausgelöst wird, bei der die
pflanzliche Zelle abstirbt und so die Ausbildung einer differenzierten Interaktionszone zwischen Haustorium und pflanzlichem Cytoplasma verhindert wird (posthaustorielle Resistenz) (Rohringer und Heitefuss, 1984; Heath, 1997).
Funktionell besitzen die Haustorien als „Saugorgane“ in der pflanzlichen Zelle, eine wichtige Aufgabe bei der Aufnahme von Nährstoffen (Mendgen, 1979; Voegele, 2006). In erster Linie sind diese Nährstoffe Aminosäuren (Hahn et al., 1997; Struck et al., 2002) sowie Zucker, die eine Reproduktion des Pilzes gewährleisten (Voegele und Mendgen, 2003). Es ist daher nicht verwunderlich, dass HXT1p, ein Hexosetransporter in der haustoriellen Plasmamembran allein ca. 1,2% der gesamten mRNA darstellt (Voegele et al., 2001). Um sich jedoch in der Wirtszelle zu etablieren, muss das Haustorium ebenfalls in der Lage sein, Signale mit der penetrierten Zelle auszutauschen, um so die Abwehr der Pflanze zu unterdrücken (Heath und Skalamera, 1997). Für eine Unterdrückung der Abwehr wird postuliert, dass Pilze entweder in der Lage sind eine Erkennung durch die Pflanze zu vermeiden, oder aktiv durch Sekretion von Effektoren wie z. B. Proteinen, die Abwehr zu reprimieren (Hahn und Mendgen, 2001), wie dies von phytopathogenen Bakterien bekannt ist (Nomura et al., 2006).