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Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 1
Pflanzliche Symbiosen
Thomas Boller, Andres Wiemken und Vreni Wiemken
Herbstsemester 2009
Freitag, 14 bis 16 (alternierend mit "Geobotanik") und/oder 16 bis 18 Uhr
http://plantbiology.unibas.ch/teaching/teaching.htm
Gesamttitel
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 2
Pilze als Pathogene
Titelblatt
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 3
Gesund und krank
Fair trade / Ausbeutung
Titelblatt
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 4
Naturgetreue Ansicht eines jungen Baumes
Aus der Einleitung
Ektomykorriza
Photosynthese-Produkte der Pflanze
Mineralnährstoffe des Pilzes
Fair trade
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 5
Endomykorrhiza
Mutualistische Symbiosen: Beispiel EndomycorrhizaPhotosynthese-
Produkte der Pflanze
Mineralnährstoffe des Pilzes
Fair trade
Aus der Einleitung
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 6
Antagonistische Symbiosen: Melampsora lini, ein Rostpilz
Melampsora lini
Pflanze liefert Photosynthese-produkte und Mineralnährstoffe!
Ausbeutung
Aus der Einleitung
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 7
Erysiphe graminis (Getreidemehltau), ein Mehltaupilz
Erysiphe graminis
Einbahnverkehr:Pflanze liefert Photosynthese-
produkte und Mineralnährstoffe!
Ausbeutung
Aus der Einleitung
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 8
Ernährungsweisen der Pathogene
Generell Heterotrophie (als Gegensatz zur Autotrophie!)
Ernährungsweisen der Pathogene
Klassifizierung nach Nahrungsquellen
Saprophytische Ernährung (Saprophyten): Nahrung stammt aus toten SubstratenSymbiontische Ernährung (Pathogene und mutualistische Symbionten): Nahrung stammt direkt von lebenden Organismen
Biotrophie: Der Erreger ernährt sich von lebendem Pflanzengewebe
Nekrotrophie: Lebendes Pflanzengewebe wird vom Erreger zuerstabgetötet und dann als Nahrungsquelle verwertet
Perthotrophie: Der Erreger ernährt sich zunächst von lebendemPflanzengewebe, tötet aber das Gewebe dabei ab undkann auch das tote Gewebe als Nahrungsquelle nutzen
Skript p. 3
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 9
Ernährungsweisen der Pathogene
Weitere Klassifizierung von Pathogenen
Skript p. 3
Klassifizierung nach der Abhängigkeit von der Wirtspflanze
Fakultatives Pathogen Der Erreger kann zwischen saprophytischer und symbiontischer Ernährung wechseln (typisch für nekrotrophe Pathogene)
Obligates Pathogen Der Erreger kann sich nur von lebendem Substrat ernähren (obligate Biotrophie)
Klassifizierung nach dem räumlichen Vorkommen
Epiphytische Lebensweise Der Mikroorganismus wächst hauptsächlich auf der Pflanzenoberfläche
Endophytische Lebensweise Der Mikroorganismus wächst hauptsächlich im Innern der Pflanze
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 10
Ausbeutung, brutale Form
Nekrotrophie
Titelblatt
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 11
Sudden oak death, California
Beispiel 1: Sudden oak death (Phytophthora ramorum)
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 12
"Sudden Oak Death"in den U.S.A.
Bild aus dem Internet
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 13 Bilder aus der Literatur
"Sudden Oak Death"in den U.S.A.
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 14
"Sudden Oak Death"in den U.S.A.
Bild aus dem Internet
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 15
Der Erreger: Phytophthora ramorum
Bild aus dem Internet
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 16
Botrytis cinerea
Beispiel 2: Grauschimmel (Botrytis cinerea)
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 17
Penicillium digitatum
Beispiel 3: Grünschimmel (Penicillium digitatum)
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 18
Nekrotrophie
Nekrotrophe Strategie des Krankheitserregers
Der Erreger tötet das Pflanzengewebe ab
Der Erreger ernährt sich vom abgetöteten Gewebe
Die Wirtspflanze wird schwer geschädigt
Problem - der Erreger vernichtet längerfristig seine Nahrungsgrundlage!
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 19
Ausbeutung, raffinerte Form
Biotrophie
Titelblatt
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 20
Blumeria graminis
Beispiel 1: Getreide-Mehltau, Blumeria graminis
Bilder aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 21
Blumeria graminis
Mehltausporenträger auf der Blattoberfläche
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 22
Puccinia graminis
Beispiel 2: Schwarzrost (Puccinia graminis)
Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 23
Puccinia graminis
Schwarzrost: Mikroskopische Aufnahme
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 24
Puccinia graminis - Berberitze
Schwarzrost ist ein wirtswechselnder Pilz!
Überwinterungs-Wirt: Berberitze
Bilder aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 25
Ustilago maydis
Beispiel 3: Maisbeulenbrand (Ustilago maydis)
Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 26
Ustilago maydis
Die Pilzsporen ersetzen das Samenkorn!
Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 27
Biotrophie
Biotrophe Strategie des Krankheitserregers
Der Erreger dringt ins Pflanzengewebe ein, ohne dass die Pflanze etwas davon merkt
Der Erreger ernährt sich vom lebenden Gewebe
Die Wirtspflanze wird zunächst kaum geschädigt
Interessant - der Erreger tarnt sich vielleicht als "Symbiont"!
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 28
Wichtig: Grundbegriffe zur Pflanzen-Pathogen-Interaktion
Wichtig: Terminologie
Erschei-nungsbild Pflanze Pathogen Interaktion
Pflanze krank
Pflanze gesund
anfällig(suszeptibel)
resistent
virulent
avirulent
kompatibel
inkompatibel
Skript - p. 3
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 29
Horizontale Resistenz
Horizontale Resistenz
Pflanzen: Sorten
1 2 3 4
A
B
C
Pathogen: Rassen
D
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
+ + + +- - / +
+ + + + + + + + + ++ + + + + + + + +
Skript - p. 4
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 30
Vertikale Resistenz
Vertikale Resistenz
Pflanzen: Sorten
1 2 3 4
A
B
C
Pathogen: Rassen
D
+ + + + - - + + + + +
- + + + + + - + + + +
- -- + + + +
+ + + + + + + + + ++ + + + + + + + +
Skript - p. 4
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 31
Klassische Analyse von Harold Flor: Melampsora lini (Flachsrost) / Linum usatissimum (Flachs)
Klassische Analyse von Flor: Melampsora lini
Skript - p. 5
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 32
Analyse der Wirtsgenetik
Analyse der Wirtsgenetik
Linum usatissimum: Sorten
Ottawa Bombay F1-Pflanzen F2-Pflanzen
22 S R Alle R R:S = 3:1 Pathogen: Rassen
24 R S Alle R R:S = 3:1
Interpretation
Die Pflanze besitzt ein dominantes Resistenz-Gen
Anfälligkeit wird "rezessiv" vererbt
Skript - p. 5
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 33
Analyse der Pathogen-Genetik
Analyse der Pathogen-Genetik
Melampsora lini: Rassen
22 24 F1-Linien F2-Linien
Ottawa Vir Avr Alle Avr Avr:Vir = 3:1
Pflanze: Sorten
Bombay Avr Vir Alle Avr Avr:Vir =
3:1
Interpretation
Das Pathogen besitzt ein dominantes Avirulenz-Gen
Virulenz wird "rezessiv" vererbt
Skript - p. 5
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 34
"Quadratische Checks" zur Gen-für-Gen-Hypothese
Quadratische Checks: F1
F1 Pflanze R1/r1
Pathogen: Avr1/avr1
I
I = inkompatibel
Skript - p. 6
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 35
Interaktionen in der F2
Quadratische Checks: F2
Pflanzen: Genotypen F2
R1/R1 R1/r1 r1/R1 r1/r1
Avr1/Avr1
Avr1/avr1
avr1/Avr1
Pathogen: Genotypen
F2
avr1/avr1
I I I C
I I I C
I CI I
C CC C
I = incompatible, C = compatibleSkript - p. 6
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 36
Vereinfachte Darstellung für ein Genpaar
Vereinfachte Darstellung: ein Genpaar
Pflanze: Genotypen
R1 r1
Avr1 Pathogen: Genotypen avr1
I = incompatible, C = compatible
CI
CC
Skript - p. 7
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 37
Interaktion bei zwei Genpaaren
Interaktion bei zwei Genpaaren
Pflanzen: Genotypen
R1 - R2 R1 - r2 r1 - R2 r1- r2
Avr1- Avr2
Avr1- avr2
avr1 - Avr2
Pathogen: Genotypen
avr1 - avr2
I = incompatible, C = compatible
I I I C
I I C C
I CC I
C CC C
Skript - p. 7
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 38
Vielfalt der Pilze
Vielfalt der Pilze
Skript - p. 8
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 39
Keine echten Pilze: Oomycota ("Cellulose-Pilze")
Oomyceten
Skript - p. 8
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 40
Oomyceten als Pathogene
Oomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 41
Fallbeispiel:Phytophthora infestans
Oomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 42
Kartoffelfäule und Hungersnot
Jeremias Gotthelf: Käthi die Grossmutter (1847).Ein Roman über die Phytophthora-Epidemie im Emmental.
Kartoffelfäule und Hungersnot
Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 43
Phytophthora infestans
Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel
Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 44
Symptome Kartoffelfäule: Detail Blatt
Symptome an Blättern
Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 45
Phytophthora infestans
Der Erreger: Phytophthora infestans
Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 46
Lebenszyklus von Phytophtora infestans
Lebenszyklus von Phytophthora infestans
Diplophase
Haplo-phase
Diplophase
Skript - p. 9
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 47
Ascomyceten als Pathogene
Ascomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 48
Botrytis cinerea
Bild aus der Literatur
Vielfalt der Ascomyceten-Krankheiten: Grauschimmel
Erreger: Botrytis cinerea (Botryotinia fuckeliana)
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 49
Erreger: Penicillium digitatum
Vielfalt der Ascomyceten-Krankheiten: Grünschimmel
Vielfalt der Ascomyceten-Krankheiten: Grünschimmel
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 50
Vielfalt der Ascomyceten-Krankheiten: Venturia (1)
Vielfalt der Ascomyceten-Krankheiten: Apfelschorf
Erreger: Venturia inaequalis
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 51
Vielfalt der Ascomyceten-Krankheiten: Monilia (2)
Vielfalt der Ascomyceten-Krankheiten: Fruchtfäule an Obst
Erreger: Monilia fructigena (Sclerotinia fructigena)
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 52
Ascomyceten: Sexuelle Fortpflanzung
Sexuelle Vermehrung: Ascus-Bildung, Fruchtkörper
Skript - p. 10
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 53
Ascomyceten: Ascus-Bildung, Crozier-Haken
Sexuelle Vermehrung: Ascus-Bildung, Crozier-Haken
Skript - p. 10
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 54
Ascomyceten: Fruchtkörper
Sexuelle Vermehrung: Ascus-Bildung, Fruchtkörper
Skript - p. 10
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 55
Ascomyceten: Konidien
Asexuelle Vermehrung: Konidien
Skript - p. 10
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 56
Fallbeispiel:Epichloë typhina
Oomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 57
Ein interessanter Ascomycet: Epichloë typhina
Epichloë typhina, Stromata (Übersicht)
Skript - p. 11
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 58
Epichloë typhina, Details der Fruktifikation
Epichloë typhina, Stromata (Detail)
Skript - p. 11
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 59
Adrian Leuchtmann und Thomas Bultman auf Exkursion
Leuchtmann, Bultman
Bild aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 60
Lebenszyklus der Endophyten aus der Epichloë-Gruppe
Epichloë typhina, Lebenszyklus
Skript - p. 11
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 61
Botanophila
Die Fliege Botanophila, der "Bestäuber" von Epichloë
Bild aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 62
Botanophila Eiablage
Biologie hoch drei: Botanophila legt ihre Eier auf die Stromata, damit sich ihre Larven davon ernähren können
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 63
Acremonium wächst in die Samen
Acremonium vermehrt sich asexuell über den Wirt
Der Endophyt Acremonium tritt äusserlich nicht in Erscheinung, wächst aber in die Samenschale und vermehrt sich mit dem Wirt
Bild aus der Literatur
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 64
Fallbeispiel:Cladosporium fulvum
Oomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 65
Gen-für-Gen-Beziehung: Cladosporium fulvum und Tomaten
Tomaten-Pflanzen: Sorten
Money-maker
(ohne R)
R4 R5 R4, R5, R9
Avr4 C I C I
Avr5 C C I I
Avr4,5,9 C I I I
Cladosporium fulvum: Rassen
keine Avr C C C C
Gen-für-Gen-Beziehung: C. fulvum und Tomate
Skript - p. 13
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 66
Experiment zur Identifikation von Avr-Faktoren (1)
Experiment zur Identifikation von "Avr"-Faktoren (1)
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 67
Experiment zur Identifikation von Avr-Faktoren (2)
Experiment zur Identifikation von "Avr"-Faktoren (2)
Behandlung Tomaten-Pflanzen: Sorten
Money-maker
(ohne R)
R4 R5 R4, R5, R9
Avr4 kein Effekt
Nekrose kein Effekt
Nekrose
Avr5 kein Effekt
kein Effekt
Nekrose Nekrose
Avr4,5,9 kein Effekt
Nekrose Nekrose Nekrose
Interzellulärflüssigkeit
von Moneymaker-
Tomaten. infiziert mit
folgenden C. fulvum-
Stämmen
keine Avr kein Effekt
kein Effekt
kein Effekt
kein Effekt
Skript - p. 13
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 68
Basidiomyceten als Pathogene
Schlussfolgerung aus den Experimenten
Die Interzellulärflüssigkeit (ICF) aus bestimmten Pathogen-Wirt-Kombinationen kann Nekrose auslösen.
Eine gegebenen Tomaten-Sorte zeigt genau dann Nekrose, wenn sie ein Resistenz-Gen besitzt, das zum AVR-Gen des Pilzes passt, der bei der ICF-Gewinnung beteiligt war.
Das Produkt des AVR-Gens des Pilzes ist in der ICF vorhanden und löst bei Pflanzen mit dem entspre- chenden Resistenz-Gen eine Reaktion (Nekrose) aus
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 69
Basidiomyceten als Pathogene
Basidiomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 70
Fallbeispiel:Ustilago maydis
Oomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 71
Ein interessanter Basidiomycet: Ustilago maydis
Ustilago maydis: Übersicht
Bild aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 72
Ustilago maydis (Maisbeulenbrand)
Ustilago maydis: Skizze
Bild aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 73
Ein interessanter Basidiomycet: Ustilago maydis
Ustilago maydis Lebenszyklus
Befruchtung ohne Karyo-gamie
Dikaryo-phase
Karyogamie
Start im Frühling: Meiose, Basidio-sporen (1n)
Skript - p. 14
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 74
Fallbeispiel:Puccinia graminis
Oomyceten als Pathogene
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 75
Puccinia graminis: Bilder
Beispiel eines Rostpilzes (Uredinales): Puccinia graminis
Obligater Wirtswechsel: Weizen - Berberitze Bilder aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 76
Puccinia graminis: Lebenszyklus
Beispiel eines Rostpilzes (Uredinales): Puccinia graminis
Dikaryo-phase (2n)
Karyogamie
Befruchtung ohne Karyo-gamie
Berberitze: Haplonten-Wirt, "Nebenwirt"
Weizen: Diplonten-Wirt, "Hauptwirt"
Start im Frühling: Meiose, Basidio-sporen (1n)
Haplophase (1n)
Skript - p. 14
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 77
Puccinia graminis: Teleutosporen auf Weizen
Teleutosporen auf Weizen
Teleutosporen: Dauersporen (diploid), die im Frühjahr nach Karyogamie und Meiose haploide Basidiosporen bilden
Bild aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 78
Puccinia graminis: Aecidium auf Berberitze
Aecidium auf Berberis vulgaris
Aecidiosporen: Diploide (dikaryotische) Sporen, die den Hauptwirt (Weizen) infizieren
Bild aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 79
Puccinia graminis: Rost-Sporen auf Weizen
Rost-Sporen auf Weizen
Uredosporen: Diploide (dikaryotische) Sporen, die auf Weizen gebildet werden und Weizen auch erneut infizieren können (Auslösen einer Epidemie!)
Bild aus dem WWW
Pflanzliche Symbiosen HS 2009: Pilze als Pathogene - 80
Puccinia graminis: keimende Rost-Spore
Keimende Rost-Spore auf Weizen
Bild aus dem WWW
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