Krankheitserreger ködern und bekämpfen

Eine aktuelle Studie zeigt: Pflanzliche Immunrezeptoren fusionieren häufig mit anderen Proteindomänen. Diese Entdeckung bietet neue Möglichkeiten zur Züchtung resistenter Pflanzen.

Genau wie wir Menschen sind auch Pflanzen der ständigen Bedrohung durch potentiell pathogenen Mikroben ausgesetzt. Um sich gegen schädliche Viren, Bakterien und Pilze zur Wehr zu setzen, haben Pflanzen ausgeklügelte, molekulare Abwehrmechanismen entwickelt, mit denen sie den Angriff von Pathogenen stoppen oder wenigstens verlangsamen. Vor allem in der Landwirtschaft spielen pflanzliche Erkrankungen durch Mikroben eine wichtige Rolle. Sie sind einer der Hauptgründe für beträchtliche Ernteeinbußen und Qualitätsverluste.

Anlockproteine ködern Virulenzeffektoren

Eine effektive Abwehr ist für die Pflanzen nicht immer einfach, denn im evolutionären Wettrüsten konnten auch die Mikroben vorzeigbare Erfolge erzielen, um das pflanzliche Immunsystem auszutricksen: Nach der Infektion injizieren die Mikroben verschiedene, maßgeschneiderte Virulenzeffektoren, die die basale Abwehr der Pflanze lahmlegen können. Diese Virulenzeffektoren können auch an bestimmte Proteindomänen des spezifischen, pflanzlichen Abwehrsystems andocken. Sind diese Proteindomänen jedoch mit intrazellulären Immunrezeptoren verbunden, werden sie zu Ködern, mit denen Pflanzen die Effektormoleküle aufspüren und eine Immunantwort aktivieren.

#####1#####

Chimäre Immunrezeptoren sind weit verbreitet

Eine aktuelle Forschungsarbeit zeigt nun erstmals anhand von vergleichenden Genomstudien, wie weit verbreitet diese chimären Immunrezeptoren tatsächlich sind. Die Proteine, die die Forscher untersuchten, gehören zur Gruppe der NLR (nucleotide binding leucine-rich repeat) Proteine und wurden in ihrer chimären Form mit immunmodulatorischen Fähigkeiten bereits bei Reis und dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana nachgewiesen. Wissenschaftler suchten die Gene nun auch in Nutzpflanzen wie Kartoffeln, Weizen und Raps, aber auch in agrarökonomisch weniger bedeutsamen Pflanzen wie Moosen und Bäumen.

Anlockproteine arbeiten mit NLRs zusammen

Anders als die Rezeptoren der basalen Immunabwehr, befinden sich die NLR-Proteine im Zellinneren. Die NLR-basierte Immunantwort ist meist wesentlich stärker als die basale Immunantwort. Sehr häufig stirbt die infizierte Zelle ab, was letztendlich der ganzen Pflanze zugute kommt: Denn indem die Pflanze infizierte Zellen absterben lässt, verhindert sie ein Ausbreiten des Erregers in der restlichen Pflanze und sichert so ihr Überleben. Induzierter Zelltod ist der Fachbegriff für diese Verteidigungsreaktion.

Pflanzen können pathogene Effektoren direkt oder indirekt erkennen. Von einer indirekten Wahrnehmung spricht man, wenn die NLR-Rezeptoren die Aktivität von Effektoren auf andere pflanzliche Proteine der basalen Abwehr registrieren. Die direkte Aktivierung erfolgt über die Anlockproteine, die lediglich vorgeben, ein Effektorziel zu sein, um die mikrobiellen Effektormoleküle anzulocken. Entdeckt ein NLR-Rezeptor ein Anlockprotein und dockt sich an dieses an, wird die Immunabwehr eingeleitet.

10 Prozent aller NLRs beinhalten eine integrierte Domäne

Interessanterweise werden Anlockproteine und Anlockprotein-beobachtende NLRs manchmal von ein und demselben Gen codiert. Bezeichnet werden diese Gene als NLR mit integrierter Domäne (NLR-IDs). Wissenschaftler suchten nun in bekannten Genomsequenzen von Pflanzen nach genau diesen NLR-IDs. Sie wurden in nahezu alle Pflanzen-Spezies fündig, wobei die Zahl der NLR-IDs innerhalb der Arten strak variierte. So fanden die Forscher beispielsweise nur eine einzige NLR-ID bei der Gurke, aber 93 beim Apfel. Insgesamt stießen die Wissenschaftler auf 720 NLR-IDs in 37 verschiedenen Pflanzenarten. Und obwohl ihre Anzahl innerhalb der Blütenpflanzen variierte, fanden die Forscher heraus, dass etwa 10 Prozent aller NLRs eine integrierte Domäne enthalten. Insgesamt entdeckten die Wissenschaftler 265 verschiedene, integrierte Domänen – ein Quantensprung gegenüber den zuvor bekannten 22 NLR-IDs.

#####2#####

Gemeinsame Vererbung vorteilhaft

Die Fusion von Anlockprotein und NLR-Rezeptor ist offenbar besonders vorteilhaft für eine Pflanze. Denn auf diese Weise werden Anlockprotein und entsprechender Immunrezeptor zusammen vererbt. Man spricht von Kopplungsgruppen, die bei der Meiose garantiert nicht getrennt werden, denn dies hätte eine krankheitsanfällige Pflanze mit schlechteren Überlebenschancen zur Folge. Auch das Risiko einer Unverträglichkeit zwischen verschiedenen Allelen von NLRs und Anlockproteinen bei den Nachkommen wird auf diese Weise ausgeschlossen.

Als integrierte Domänen waren bisher vor allem WRKY oder RIN4 bekannt. In der aktuellen Studie konnten die Wissenschaftler noch weitere, bisher unbekannte Effektorziele identifizieren. Höchstwahrscheinlich spielen diese Proteindomänen eine bisher nicht definierte Rolle in der pflanzlichen Immunabwehr. Mit der wachsenden Zahl an tiefensequenzierten Genomen höherer Pflanzen wird sich die Anzahl der Effektorziele mit Sicherheit noch weiter erhöhen, mutmaßen die Forscher.

Resistenzen verbessern

Die Arbeit der Wissenschaftler dient nicht nur der allgemeinen Erkenntniserweiterung zur pflanzlichen Immunabwehr. Vielmehr könnten die integrierten Domänen wichtige Informationen dazu liefern, wie infektanfällig eine Pflanze mit einer bestimmten Domänenausstattung ist. Mit diesem Wissen und modernen Methoden der Marker gestützten Züchtung oder der Genom-Editierung lassen sich in Zukunft möglicherweise Pflanzen erzeugen, die eine stabile und im Idealfall eine dauerhafte Resistenz gegenüber wichtigen Krankheitserregern aufweisen. Die vorliegende Arbeit zeigt auch, wie in den letzten Jahren durch die Sequenzierung und Annotation der Gene zu Genfunktionen komplett neue Herangehensweisen möglich geworden sind. Die in der Natur vorhandene genetische Vielfalt lässt sich gezielter nutzen.