Sugar Uptake and Channeling into Trehalose Metabolism in Poplar Ectomycorrhizae

Abstract

Ectomycorrhizal associations are characterized by the bidirectional exchange of nutrients and carbohydrates.The plant rewards the fungal partner a continues support of easily degradable carbohydrates that can make up to 30% of the total carbon fixed by the plant host. To understand how a strong fungal carbon sink is generated, the carbon partitioning in the poplar (Populus tremula x tremuloides) –Amanita muscaria ectomycorrhizal symbiosis was studied. Two aspects were followed: monosaccharide uptake and carbon storage. The creation of a strong carbohydrate sink by the fungus is related to the efficiency of fungal hexose uptake at the plant-fungus interface. In the genome of the currently sequenced model fungus Laccaria bicolor all putative sugar porter genes were identified and their transcript abundance was determined in symbiotic (Populus tremula x tremuloides/Laccaria bicolor) and non-mycorrhizal mycelia. Gene expression profiles were separated according to carbon availability and ectomycorrhiza formation. The functional characterization of selected proteins was carried out by heterologous expression in a yeast mutant containing no intrinsic hexose uptake systems. A quick conversion of hexoses taken up by fungal hyphae is a further prerequisite for the formation of a strong fungal carbohydrate sink Trehalose is supposed to be an intermediate store as well as a transport metabolite of fungal carbon and is present in large quantities in A. muscaria. Using RT-PCR, the transcript levels of genes coding for enzymes involved in the biosynthesis of trehalose, such as trehalose-6-phosphate synthase (TPS), trehalose-6-phosphate phosphatase (TPP) and trehalose phosphorylase (TP), were determined. All three genes were upregulated in hyphae located at the plant-fungus interface, indicating an increased fungal trehalose biosynthesis capacity in symbiosis. Furthermore, the upregulation of these genes was correlated with an increased TPS protein activity and elevated trehalose content at the symbiotic interface. Since the expression of trehalose biosynthetic genes was not under metabolic control they are presumably developmentally regulated. Finally, trehalose biosynthesis genes displayed a dynamic expression pattern in developing fruiting bodies, supporting the idea that there is a high trehalose demand during fruiting body development that cannot be supported only by the extradical mycelium.

Ektomykorrhizale Beziehungen zeichnen sich durch den bidirektionalen Austausch von Nährstoffen und Kohlenhydraten aus. Die Pflanze belohnt den Pilzpartner mit einer andauernden Versorgung mit leicht zersetzbaren Kohlenhydraten, die bis zu 30% des durch den Pflanzenwirt fixierten Gesamtkohlenstoffs ausmachen. Um zu verstehen, wie eine starke Kohlenstoffsenke generiert wird, wurde die Kohlenstoffaufteilung in der Ektomykorrhizasymbiose der Pappel Populus tremula x tremuloides mit Amanita muscaria untersucht. Zwei Aspekte wurden verfolgt: Aufnahme von Monosacchariden und Kohlenstoffspeicherung. Die Erzeugung einer starken Kohlenstoffsenke hängt mit der Effizienz der Hexoseaufnahme durch den Pilz an der Pflanze-Pilz-Schnittstelle ab. Im Genom des sequenzierten Modellpilzes Laccaria bicolor wurden alle vermuteten Zuckertransportergene identifiziert und die Häufigkeit ihrer Transkripte in symbiotischen (Populus tremula x tremuloides / Laccaria bicolor) und nicht-mykorrhizalen Myzelien bestimmt. Anhand ihrer Expressionsprofile wurden die Gene gemäß der Kohlenstoffverfügbarkeit und Ektomykorrhizaformation aufgeteilt. Die funktionelle Charakterisierung von ausgewählten Proteinen wurde durch heterologe Expression in einer Hefemutante durchgeführt, die keine eigenen Hexoseaufnahmesysteme besitzt. Eine schnelle Umwandlung von durch Pilzhyphen aufgenommenen Hexosen ist eine weitere Voraussetzung für die Bildung einer starken Kohlenstoffsenke. Trehalose dient dem Pilz sowohl als Zwischenspeicher als auch als Transportmetabolit für Kohlenstoff und findet sich in grossen Mengen in A. muscaria. Mittels RT-PCR wurden die Transkriptmengen von Genen, die an der Biosynthese von Trehalose beteiligt sind, wie z.B. Trehalose-6-Phospat-Synthase (TPS), Trehalose-6-Phosphat-Phosphatase (TPP) und Trehalose-Phosphorylase, bestimmt. Alle drei Gene wurden in Hyphen an der Pilz-Pflanzen-Schnittstelle verstärkt exprimiert, was auf die gesteigerte Trehalose-Biosynthese-Kapazität des Pilzes in der Symbiose hinweist. Außerdem korellierte die verstärkte Expression dieser Gene mit einer gesteigerten TPS-Proteinaktivität und mit einem erhöhten Trehalosegehalt an der symbiotischen Schnittstelle. Da die Expression von biosynthetischen Genen der Trehalose nicht unter metabolischer Kontrolle steht, sind sie vermutlich durch die Entwicklung reguliert. Abschliessend zeigten die Trehalosebiosynthesegene ein dynamisches Expressionsmuster in sich entwickelnden Fruchtkörpern, was die Hypothese unterstützt, dass während der Fruchtkörperentwicklung ein großer Trehalosebedarf besteht, der nicht allein durch das extraradicale Myzel gedeckt werden kann.