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Nutzpflanzen ernähren uns. Doch in unserer industrialisierten Landwirtschaft droht uns der Verlust ihrer enormen Vielfalt. Die Klimakrise und das Schwinden der Bodenfruchtbarkeit lassen die Ernteerträge drastisch sinken. Daher gewinnen nachhaltiger Anbau, die Erhöhung der Pflanzenvielfalt und ihrer Widerstandsfähigkeit an Bedeutung., Posterserie zu forschungsnahen Themen im Bereich der Evolution der Landpflanzen — vom Ursprung des Lebens, über Pflanzendiversität, bis hin zu den Nutzpflanzen. Diese Posterserie ist im Rahmen des Schwerpunktprogramms MAdLand - Molecular Adaptation to Land: plant evolution to change (SPP 2237), gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, entstanden.

Long-distance trafficking of membranous structures along the cytoskeleton is crucial for secretion and endocytosis in eukaryotes. Molecular motors are transporting both secretory and endocytic vesicles along polarized microtubules. Here, we review the transport mechanism and biological function of a distinct subset of large vesicles marked by the G-protein Rab5a in the model microorganism Ustilago maydis. These Rab5a-positive endosomes shuttle bi-directionally along microtubules mediated by the Unc104/KIF1A-related motor Kin3 and dynein Dyn1/2. Rab5a-positive endosomes exhibit diverse functions during the life cycle of U. maydis. In haploid budding cells they are involved in cytokinesis and pheromone signaling. During filamentous growth endosomes are used for long-distance transport of mRNA, a prerequisite to maintain polarity most likely via local translation of specific proteins at both the apical and distal ends of filaments. Endosomal co-transport of mRNA constitutes a novel function of these membrane compartments supporting the view that endosomes function as multipurpose platforms.

The phytopathogenic basidiomycete Ustilago maydis is the causative agent of corn smut disease. To penetrate the plant surface of its host plant Zea mays formation of a dikaryotic filament is obligatory. Only at this stage tumors are formed. U. maydis is, exclusive of pathogen/host-interaction, also ideal for, e.g. investigations in DNA repair or RNA biology. Initial characterizations regarding the influence on RNA-binding proteins on pathogenicity indicated that post-transcriptional regulation plays a key role in the infectious phase. So far, only a few RNA-binding proteins in filamentous fungi could be investigated concerning regulatory functions. In this thesis, the role of the RNA-binding protein Khd4 in U. maydis was analyzed in detail. Deletion of khd4 leads to a pleiotropic phenotype resulting in a cytokinesis defect of haploid sporidia, in disturbed filamentous growth and in severely reduced tumor formation. To investigate the influence of Khd4 on cell morphology and pathogenicity characterizations of RNA/protein interaction and identification of putative target mRNAs were determined. In this dissertation, it was shown that the tandem-KH-domains 3 and 4 are essential for function of Khd4 and for RNA binding in vivo. Point mutations of essential amino acids within these domains caused khd4-deletion phenotype and inhibited binding to AUACCC-containing RNAs using the yeast three- hybrid system. The presence of the cis-acting motif AUACCC is thereby necessary and sufficient. In order to investigate whether or not the motif AUACCC is a regulatory RNA element in U. maydis two independent approaches were performed: (1) microarray analysis revealed that AUACCC is enriched in differentially expressed mRNAs (29 out of 79 differentially expressed mRNAs); (2) bioinformatic analysis uncovered that AUACCC is significantly enriched in first 150 nucleotides (nt) of 3untranslated region (UTR) of mRNAs. Additionally, the experimentally determined 3UTR lengths confirmed the enrichment of AUACCC. Furthermore, the majority of differentially expressed mRNAs exhibited increased mRNA-amounts in khd4-deletion strain leading to the assumption that Khd4 might play a role in destabilizing mRNAs. The partial co-localization of Khd4 and the processing body (P-body) marker protein Dhh1 supported this hypothesis. P-bodies are known to be sites for mRNA degradation. The 29 AUACCC-containing mRNAs represent target mRNAs of Khd4, which possibly can be connected to the khd4-deletion phenotype. Hence, RNA-binding of Khd4 seems to be essential to post-transcriptionally regulate AUACCC-containing target mRNAs, e.g. via degradation in P-bodies. Thus, Khd4-dependent regulation is an important process for accurate development of cell morphology and pathogenicity in U. maydis., Der phytopathogene Basidiomyzet Ustilago maydis ist der Erreger des Maisbeulenbrandes. Für eine erfolgreiche Infektion der Wirtspflanze Zea mays ist die Bildung eines dikaryotischen Filaments erforderlich. Erst in diesem Stadium kann der Pilz die Pflanzenoberfläche penetrieren und die Tumorbildung induzieren. U. maydis stellt nicht nur ein Modellsystem für die Pilz/Wirt-Interaktion dar, sondern wurde in der Vergangenheit bspw. auch für Untersuchungen der DNA-Reparatur oder der RNA-Biologie genutzt. Erste Charakterisierungen des Einflusses RNA-bindender Proteine auf die Pathogenität deuteten dabei an, dass die posttranskriptionelle Regulation innerhalb des infektiösen Stadiums eine bedeutende Rolle spielt. Jedoch wurden bisher nur wenige RNA-bindende Proteine hinsichtlich ihrer regulatorischen Funktion in filamentösen Pilzen näher charakterisiert. In dieser Arbeit wurde die Rolle des RNA-bindenden Proteins Khd4 von U. maydis detailliert untersucht. Die Deletion des Gens führt zu einem pleiotropen Phänotyp, der sich in einem Zytokinesedefekt haploider Sporidien, reduzierter Filamentbildung und stark verringerter Virulenz äußert. Um die Funktion von Khd4 hinsichtlich dessen Einfluss auf Morphologie und Pathogenität zu verstehen, wurde die RNA/Protein-Interaktion charakterisiert und mögliche Ziel-Transkripte identifiziert. In dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Tandem-KH-Domänen 3 und 4 essentiell für die Funktion von Khd4 und für die RNA-Bindung in vivo sind. Mutationen wichtiger Aminosäuren innerhalb dieser Domänen äußerten sich in einem dem khd4Δ-ähnlichen Phänotyp und verhinderten die Bindung AUACCC-enthaltender RNA, welches mit Hilfe des Hefe-Drei-Hybrid-Systems ermittelt werden konnte. Die Anwesenheit des cis-aktiven Elements AUACCC war dabei sowohl notwendig als auch hinreichend. Um zu untersuchen, ob es sich bei diesem Motiv um ein regulatorisches RNA-Element in U. maydis handelt, wurden zwei unabhängige Analysen durchgeführt. Zum einen wurde über Microarray-Analysen ermittelt, dass das Motiv AUACCC in differentiell regulierten mRNAs angereichert war (29 von 72 regulierten mRNAs). Über bioinformatische Analysen wurde zum anderen eine signifikante Anreicherung des Motivs in den ersten 150 Nukleotiden der 3untranslatierten Region (UTR) festgestellt. Die Untersuchung experimentell ermittelter 3UTR-Längen bestätigte dabei diese Anreicherung. Weiterhin war die überwiegende Mehrheit der differentiell regulierten Transkripte im khd4-Deletionsstamm hochreguliert, was für eine destabilisierende Funktion von Khd4 sprach. Unterstützt wurde diese Hypothese durch die partielle Kolokalisation von Khd4 mit processing bodies (prozessierenden Körpern, P-bodies), welche in mRNA-Abbauprozessen von hoher Bedeutung sind. Die 29 AUACCC-enthaltenden, differentiell deregulierten Transkripte stellen außerdem direkte Ziel-Transkripte dar, welche einen Einfluss auf den Phänotyp des khd4Δ-Stammes besitzen könnten. Folglich scheint die RNA-Bindung von Khd4 essentiell zu sein, um posttranskriptionell AUACCC-enthaltende mRNAs durch Rekrutierung von P-bodies zu degradieren. Mit Hilfe der Khd4-abhängigen Regulation wird dadurch möglicherweise die korrekte Entwicklung des haploiden und infektiösen Stadiums von U. maydis gewährleistet.