Molecular aspects of plant cell wall degradation by the saprobic fungus Hypocrea jecorina

Abstract

Der saprotrophe Ascomycet Hypocrea jecorina ist auf den Abbau von Zellulose und Hemizellulosen aus Pflanzenzellwänden spezialisiert.<br />Der Pilz kann dazu große Mengen an entsprechenden Enzymen sekretieren und wird daher in der industriellen Produktion von nativen und rekombinanten Proteinen eingesetzt. Aus diesem Grund ist sein Zellulasen- und Hemizellulasensystem bereits sehr gut charakterisiert.<br />Im Zuge meiner Arbeit habe ich mehrere Aspekte des Abbaus von in der Zellwand von Pflanzen vorkommenden Polysacchariden durch H. jecorina untersucht. Ich konnte zeigen, dass der Pilz nur wenige für Pektinasen kodierende Gene besitzt und dass eine Verbindung zwischen deren Expression und der der Zellulasen besteht. Zusätzliche experimentelle Beweise für einen Zusammenhang zwischen den Abbauwegen für Monosaccharide aus Hemicellulosen und Pektinen wurden im Zuge der Charakterisierung der Enzyme [beta]-Galaktosidase und D-Xylosereduktase erhalten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass erstere in den Abbau von Galaktanen involviert ist, und dass die Hydrolyse von Laktose nur eine Nebenaktivität darstellt. Des weiteren konnte ich zeigen, dass die D-Xylosereduktase nicht nur hauptverantwortlich für den Katabolismus von Pentosen ist, sondern auch in der Verwertung von [beta]-D-Galaktose und in der Laktose-Induktion von Zellulasen eine Rolle spielt.<br />Die zusammengefassten Ergebnisse bestätigen die Charakterisierung von H.<br />jecorina als einen sekundären Destruenten, d.h. der Pilz wächst auf pflanzlicher Biomasse, die bereits von anderen Organismen besiedelt worden ist. Diese sorgen für einen zumindest teilweisen Abbau von komplexen Zellwandbestandteilen wie z.B. Pektin und Lignin, woraufhin H.<br />jecorina aufgrund seiner überlegenen Sekretionsmaschinerie und seiner multifunktionellen Enzyme schnell auf die freiliegende Zellulose und Hemizellulose zugreifen kann, was ihm im Kampf um die Nährstoffe einen entscheidenden Vorteil verschafft.<br />

The saprobic ascomycete Hypocrea jecorina is specialised in degrading cellulose and hemicelluloses derived from plant cell walls and to this end it can secrete large amounts of enzymes for the break-down of the polysaccharides. Its application as a host for industrial protein production has attracted the interest of many researchers and therefore its cellulolytic and hemicellulolytic systems are among the best studied in fungi.<br />In course of my thesis I investigated several aspects of the degradation of plant cell wall polymers by H. jecorina. I showed that the fungus has only a limited pectinolytic enzyme spectrum and that the expression of the corresponding genes is linked to the cellulase regulation system.<br />Further experimental evidence for a connection between the pathways responsible for the metabolism of hemicellulose- and pectin-derived carbohydrates was obtained during the characterisation of the enzymes [beta]-galactosidase and D-xylose reductase. Results also indicate that the former is involved in the degradation of polymeric galactans and that the hydrolysis of lactose is only a side activity. The D-xylose reductase was shown to be not only majorly responsible for the catabolism of pentoses, but also has a role in the utilisation of [beta]-D-galactose and in the induction of cellulases by lactose.<br />The cumulative data confirms that H. jecorina is a secondary coloniser, i.e. it grows on plant biomass already populated by other organisms, which degrade complex cell wall components like pectin and lignin. Due to its powerful secretion system and versatile enzymes the fungus can quickly access the exposed cellulose and hemicelluloses and so gain the upper hand in the contest for the nutrients.<br />