Grzyby biotroficzne rozwinęły szereg „stylów życia” w swoich relacjach z roślinami od mutualistycznych do pasożytniczych. Pęcherzykowo-guzkowe grzyby mikoryzowe tworzą mutualistyczne relacje z korzeniami ich roślinnych gospodarzy, w których grzyb uzyskuje cukry z rośliny i dostarcza fosforany i inne minerały w zamian. Na drugim biegunie, grzyby mączniaka i rdzy tworzą obligatoryjnie pasożytnicze relacje, w których roślina gospodarza staje się źródłem cukrów, aminokwasów i innych składników odżywczych. Pasożyty te wykształcają w komórkach roślinnych wyspecjalizowany organ, haustorium (ryc. 1), służący do przenoszenia substancji odżywczych z komórki gospodarza do plechy grzyba. Zakłada się, że haustorium odgrywa kluczową rolę w zdolności tych pasożytów do konkurowania z rozwijającą się rośliną o fotoasymilaty i inne składniki odżywcze, ale nadal pozostają podstawowe pytania dotyczące funkcji haustorium. Należą do nich: Jakie są główne transportowane składniki pokarmowe? Jakie mechanizmy biorą udział w tym transporcie? W jaki sposób poszczególne elementy interfejsu haustorium-komórka żywicielska przyczyniają się do przepływu składników pokarmowych? I ogólnie, jak funkcja haustorialna odnosi się do biotroficznej relacji pomiędzy żywicielem a pasożytem? Praca Voegele i wsp. (1) w tym numerze PNAS stanowi ważny krok naprzód poprzez scharakteryzowanie transportera cukru znajdującego się na granicy haustorium-gospodarz.

Haustorium powstaje, gdy wyspecjalizowana huba grzybowa penetruje ścianę komórki roślinnej i rozszerza się wewnątrz tej komórki (ref. 2; Ryc. 1A). Jednakże haustorium nie znajduje się bezpośrednio w cytoplazmie komórki roślinnej; zamiast tego jest otoczone błoną pozakomórkową, pogrubioną pochodną błony plazmatycznej komórki roślinnej. Pomiędzy błoną pozazarodnikową a ścianą haustorium grzyba znajduje się żelowa warstwa wzbogacona w węglowodany, zwana macierzą pozazarodnikową. Samo haustorium zawiera normalny zestaw cytoplazmy, jąder, mitochondriów i innych organelli (Ryc. 1A). Cytoplazma haustorialna jest ograniczona przez błonę plazmatyczną i ścianę haustorialną (Rys. 1). Aby przemieścić się z cytoplazmy roślinnej do cytoplazmy haustorialnej, substancje muszą kolejno przejść przez błonę i macierz pozawęzłową, ścianę haustorialną i błonę plazmatyczną haustorialną.

Rozwój haustorium jest ostatnim etapem ścieżki infekcyjnej, w której główną rolę odgrywa gospodarz roślinny. W przypadku grzybów z rodzaju Rdza, infekcja rozpoczyna się zwykle od kiełkowania zarodnika na powierzchni liścia, po czym następuje rozwój appressorium. Rozwój appressorium zależy od sygnału tygmotroficznego wywołanego przez specyficzną topografię powierzchni liścia rośliny gospodarza (3). Kołek infekcyjny uformowany przez appressorium wnika do liścia przez por (stomię), po czym następuje rozwój pęcherzyka substomatalnego, hiefy infekcyjnej, haustorialnej komórki macierzystej, penetracja fotosyntetycznej komórki mezofilu przez kołek i utworzenie haustorium. Sztuczne membrany i wytrawione powierzchnie były używane do naśladowania topografii powierzchni liści i indukowania rozwoju struktur infekcyjnych in vitro (4-6). Jednakże, rozwój jest niekompletny i haustoria zwykle nie tworzy się, chyba że doda się węglowodanów (7).

Badania absorpcji wykazały, że cukry i aminokwasy są przenoszone z rośliny żywicielskiej do biotroficznych pasożytów (8-11) i silnie wspierają ideę, że haustoria odgrywają główną rolę. Jednakże, z powodu wewnątrzkomórkowej lokalizacji haustorii i złożoności interfejsu haustorium-żywiciel, trudno było określić, jakie procesy transferu są zaangażowane i gdzie są zlokalizowane. W ostatnich kilku latach zastosowano inne podejście, polegające na wyizolowaniu cDNA dla genów ulegających ekspresji rozwojowej w strukturach infekcyjnych i haustoriach (12, 13). Voegele i wsp. (1) wykazali, że jeden z najbardziej obficie ekspresjonowanych genów w haustorium rdzy koduje transporter cukru (HTX1). Analiza RNA wykazała, że gen ten ulega ekspresji w haustoriach wyizolowanych z liści, ale nie w innych strukturach infekcyjnych indukowanych in vitro. Ponadto autorzy wykazali, że ten transporter cukru jest zlokalizowany w błonie haustorialnej, a nie w błonach międzykomórkowych hyfusów, dostarczając w ten sposób pierwszych bezpośrednich dowodów, że wychwyt cukru zachodzi w haustorium i sugerując, że haustorium może być jedynym miejscem.

Sukroza jest podstawowym cukrem, który jest transportowany w roślinach i dlatego spekulowano, że haustoria mogą importować sacharozę bezpośrednio. Ostatnie badania z udziałem grzyba mączniaka wskazują, że glukoza, a nie sacharoza, może być importowanym cukrem (14, 15). Dane Voegele i wsp. (1) wykazują, że transporter cukrów HXT1 wykazuje specyficzność dla d-glukozy i d-fruktozy, co potwierdza, że glukoza/fruktoza, a nie sacharoza są podstawowymi cukrami importowanymi przez haustoria. Ponadto autorzy wykazali, że transport glukozy odbywa się poprzez mechanizm symportu protonowego. Wyniki te potwierdzaj± model transportu składników pokarmowych w interfejsie haustorialnym oparty na symporcie protonowym (ryc. 2). Błonowa H+-ATPaza wytwarza gradient protonowy w błonie plazmatycznej haustorialu, który dostarcza energii do transportu składników odżywczych (glukozy/fruktozy, aminokwasów) z macierzy pozawęzłowej do haustorium. Powstanie gradientu protonowego jest możliwe, ponieważ macierz zewnątrzwydzielnicza jest zamkniętym przedziałem, ograniczonym przez błonę zewnątrzwydzielniczą po stronie roślinnej, błonę haustorialną po stronie grzybów oraz pasmo szyjki, które oddziela ją od apoplastu. Na poparcie tego modelu wyizolowano plazmatyczną błonową H+-ATPazę (17) i transporter aminokwasów (18).

Praca Voegele i wsp. (1) dostarczyła ważnego elementu układanki dotyczącej szlaku transportu składników odżywczych przez interfejs gospodarz-pasożyt u obligatoryjnych grzybów pasożytniczych. Jednakże, wiele pytań pozostaje nadal aktualnych. Czy sacharoza dyfunduje z komórki roślinnej gospodarza do macierzy pozakomórkowej, czy też jest najpierw rozszczepiana w cytozolu gospodarza na glukozę i fruktozę? Jaki enzym rozkłada sacharozę? Czy jest to inwertaza, o której wiadomo, że wzrasta w zainfekowanej tkance liścia (19, 20), czy też syntaza sacharozy? Po przetransportowaniu glukozy do haustorium, jaki cukier jest następnie transportowany do hyfusów międzykomórkowych? Spekuluje się, że rolę tę może odgrywać mannitol (21). Co więcej, fotosyntetyzujące komórki mezofilu, zwykle produkujące sacharozę, która jest aktywnie eksportowana, stają się importerami netto, gdy są kolonizowane przez grzyby rdzy. W jaki sposób pasożyt obligatoryjny manipuluje gospodarzem, aby zmienić przepływ cukrów? Czy istniej± regulatory genowe wydzielane przez haustorium grzyba do komórki ro¶linnej, które zmieniaj± te szlaki? Jakie inne związki przechodzą przez ten interfejs? Jakich metod używa grzyb, aby ominąć lub stłumić mechanizmy obronne gospodarza? Wyniki Voegele i wsp. (1) w elegancki sposób pokazują, że wieloaspektowe podejście eksperymentalne może dostarczyć odpowiedzi na temat roli haustorii w interakcjach gospodarz-pasożyt.

.