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Die Regulation der Citrininbildung in Penicillium
Projekt
Förderkennzeichen: MRI-OG-08-54401RegCitPen
Laufzeit: 01.06.2015
- 31.03.2018
Forschungszweck: Grundlagenforschung
Die Bildung von Citrinin in Lebensmitteln kann durch drei bedeutende Penicilliumspezies bedingt sein: P. verrucosum, P. expansum und P. citrinum. Diese drei Spezies unterscheiden sich stark in ihrer Fähigkeit Citrinin zu bilden. Erste Ergebnisse zeigen auch eine stark unterschiedliche Regulation der Citrininbildung. Während die Citrininbildung in P. expansum und P. verrucosum stark von den Umweltbedingungen abhängt, scheint sie im Fall von P. citrinum wesentlich weniger reguliert zu sein und eher konstitutiv gebildet zu werden.
Penicillium expansum ist der wichtigste pathogene Pilz von Äpfeln. Er kann Äpfel besonders nach der Ernte befallen und kann zu größeren Ernteverlusten führen. Neben dieser Verderbsaktivität ist P. expansum weiterhin in der Lage die beiden Mykotoxine Patulin und Citrinin zu bilden. Während Patulin in Äpfeln regelmäßig in höheren Konzentrationen gefunden werden kann, wird Citrinin meist nicht oder nur in geringen Mengen nachgewiesen. Laut Literaturangaben stellt Patulin einen Kolonisierungsfaktor dar, unterstützt also die Infektion von Äpfeln. Über die Rolle von Citrinin bei diesem Prozess war vor Beginn des Projektes nichts bekannt. Im Rahmen des Projektes konnte die biologische Bedeutung der Citrininbildung durch P. expansum weitestgehend aufgeklärt werden. Auch die Bildung von Citrinin fördert die Kolonisierung von Äpfeln durch P. expansum. Citrinin ist allerdings nicht unbedingt für die Kolonisierung notwendig, sondern unterstützt diese unter bestimmten Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass Citrinin erst relativ spät während des Wachstums von P. expansum auf Äpfeln gebildet wird. Während Patulin schon nach 4 Tagen analytisch nachgewiesen werden konnte, wurde Citrinin erst nach 10 bis 12 Tagen gefunden, obwohl mittels Transkriptionsanalysen eine frühe Aktivierung sowohl der Biosynthesegene der Patulin-, als auch der Citrininbildung nachgewiesen werden konnte. Dies deutete darauf hin, dass Citrinin ebenfalls früh gebildet wird, aber evtl. fest an die Apfelmatrix gebunden oder derivatisiert wird. Eine genauere Untersuchung des Verhaltens von Citrinin in der Apfelmatrix ergab, dass beide Vorgänge eine Rolle spielen. Versuche haben gezeigt, dass Citrinin sehr fest an Pektin bindet. Nach dieser Bindung ist es durch das verwendete Extraktionsmittel nicht mehr extrahierbar und entzieht sich der Analyse. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Citrinin durch die Reactive Oxygen Species (ROS) die von Pflanzen als Schutz gegen die Infektion durch Pilze gebildet werden, zu drei unbekannten Metaboliten degradiert wird. Aufgrund dieser beiden Mechanismen kommt es erst nach längerem Wachstum zur nachweisbaren Bildung von Citrinin. Diese Bildung ist verknüpft mit der Bildung von Luftmyzel und mit der Bildung von Sporen. Das heißt, erst die im Luftmycel gebildeten Mengen an Citrinin sind nachweisbar. Die im Substratmycel, d. h. im Apfel gebildeten Mengen an Citrinin werden an Pektin gebunden, bzw. durch die ROS des Apfels degradiert. Mittels der „Gene Knockout“ Technik wurden P. expansum Stämme erzeugt, die kein Citrinin mehr bilden konnten. Bei Infektionsversuchen zeigte sich, dass diese Stämme zwar kleinere Schadstellen bilden konnten, aber im Gegensatz zum Wildtyp nicht in der Lage waren den Apfel vollständig zu besiedeln. Die Zugabe von externem Citrinin restaurierte diese Fähigkeit wieder. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Umgebung im natürlichen Habitat sogar die Induktion der Citrininbildung unterstützen kann. Veröffentlichungen: Geisen, R., Schmidt-Heydt, M., Stoll, D., Touhami, N., 2018. Aspects of the occurrence, genetics and regulation of biosynthesis of the three Food relevant Penicillium mycotoxins: Ochratoxin A, Citrinin and Patulin. In: The Mycota XV: Physiology and Genetics, 2nd Edition, Eds. T. Anke and A. Schlüßler, Springer, Cham, 413–433. Touhami, N., Soukup, S.T., Schmidt-Heydt, M., Kulling, S.E., Geisen, R., 2018. Citrinin as an accessory establishment factor of Penicillium expansum for the colonization of apples. Int. J. Food Microbiol. 266, 224–233. Geisen, R., Schmidt-Heydt, M., Touhami, N., Himmelsbach, A., 2018. New aspects of ochratoxin and citrinin biosynthesis in Penicillium. Curr. Opin. Food Sci. eingereicht. Geisen, R., Touhami, N., Schmidt-Heydt, M., 2017. Mycotoxins as adaptation factors to food related environments. Curr. Opin. Food Sci. 17, 1–8. Kongressbeiträge Touhami, N., Stoll, D., Schmidt-Heydt, M., Geisen, R., 2016. De-regulating citrinin biosynthesis of Penicillium expansum by heterologous expression of the ctnR gene of Penicillium citrinum. International Committee of Food Mycology Meeting, Freising, 12–15. Juni 2016. Stoll, D., Touhami, N., Geisen, R., Schmidt-Heydt, M., 2016. WGS Sequencing of the citrinin producer Penicillium citrinum and subsequent characterization of the citrinin gene cluster. 38th Mycotoxin Workshop, Berlin. Geisen, R., Schmidt-Heydt, M., Touhami, N., 2017. Understanding in situ regulation of mycotoxin biosynthesis to improve food safety. Deutsch-chinesicher Workshop Food Security and Food Safety. Guangzhou/Shanghai, 10–13. April.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Lebensmittelmikrobiologie
- Toxikologie
Rahmenprogramm
Förderprogramm
Ausführende Einrichtung
MRI - Institut für Sicherheit und Qualität bei Obst und Gemüse (MRI-OG)
