Inventur beim pflanzlichen Immunsystem

Die intrazellulären NLR-Rezeptoren steuern in Pflanzen die angeborene Immunität und die Resistenz gegen Krankheitserreger. Wissenschaftler haben nun am Beispiel von Arabidopsis thaliana gezeigt, wie sich eine komplexe und variable Genfamilie innerhalb einer Art identifizieren lässt. Auf dieser Grundlage lassen sich in Zukunft Proteinfamilien der Immunabwehr von agronomisch wichtigen Arten mit großen Genomen bestimmen.

Wollte man die genetischen Grundlagen des menschlichen Immunsystems erforschen, würde es dann ausreichen, das Genom eines einzigen Menschen zu analysieren? Sicherlich nicht! Denn je nach Abstammung und Lebensraum des Menschen können hier beträchtliche Unterschiede auftreten.

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Dasselbe gilt auch für Pflanzen. Ein internationales Forscher-Team hat nun den zentralen Bestandteil des pflanzlichen Immunsystems einer Art untersucht. Es handelt sich dabei um NLR (nucleotide binding leucine-rich repeat) Proteine, mit denen Pflanzen krankheitsverursachende Mikroben erkennen und bekämpfen. NLR sind Rezeptoren, die das sich ständig verändernde Mikrobenspektrum der Umwelt erkennen.

Gesamtspektrum an NLR in einer Art untersucht

Wie diese Rezeptoren interagieren und zusammenarbeiten, ist bereits gut erforscht. Zentrale Fragen zur Rolle der NLR im pflanzlichen Immunsystem waren bisher jedoch unbeantwortet: Wie sieht das gesamte Spektrum der von Pflanzen produzierten NLR-Proteine aus? Wie stark variieren sie innerhalb einer Pflanzenart?

Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, haben Forscher nun die gesamte Bandbreite der NLR-Rezeptoren von Arabidopsis thaliana zusammengetragen. Ein Projekt mit ungewissem Ausgang: „Uns war vom Anfang der Studie an bewusst, dass wir nicht wissen konnten, wie groß die tatsächliche Vielfalt des pan-NLRomes in Arabidopsis thaliana sein würde und wie man dieses am besten katalogisieren und analysieren könnte“, beschreibt Wissenschaftlerin Anna-Lena Van de Weyer die Herausforderung der Studie.

Regionaler Selektionsdruck sorgt für Unterschiede

Das internationale Team untersuchte Pflanzen von rund 40 Arabidopsis-Linien, die von Krankheitserregern unterschiedlicher Art befallen waren. Darunter befanden sich Pflanzenpopulationen aus Europa, Nordamerika und Asien. Mit modernsten Sequenzierungstechniken analysierten sie die genetische Vielfalt der NLR dieser Pflanzen und fanden heraus, dass ihr Repertoire von Ort zu Ort verschieden war, und zwar wahrscheinlich aufgrund des unterschiedlichen Selektionsdrucks durch regionale Krankheitserreger.

Moderne Sequenzierungstechnik spart Zeit und Kosten

„Wir verwendeten SMRT RenSeq in unserer Studie“, so Van de Weyer. RenSeq steht für Resistance Gene Enrichment Sequencing. Diese Methode erlaubt es die NLR-Gene einer Pflanze vom Rest der DNA zu trennen. „Dadurch verringert sich die Schwierigkeit, nach dem Sequenzieren die DNA-Stückchen wieder in richtiger Reihenfolge und an die richtige Position im Genom zuzuordnen. Des Weiteren konnten wir so die Kosten für die Sequenzierung reduzieren und stattdessen mehr Linien auf einmal untersuchen. Mit der eingesetzten SMRT (Single-Molecule Real Time) Technologie sei es möglich gewesen, mehrere tausend Basen am Stück zu lesen. „Dadurch konnten wir ganze NLR-Gene und die Regionen dazwischen ohne Unterbrechungen assemblieren“, erklärt Van de Weyer.

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Intraspezifischen Variabilität bisher unbekannt

In wissenschaftlichen Kreisen war die Vielfalt von NLR-Genen bei Arabidopsis thaliana eine wohlbekannte Tatsache. Eine genaue Analyse dieser intraspezifischen Variabilität war allerdings bis zur aktuellen Studie noch nicht durchgeführt worden. „Wir waren daher gespannt, ob wir mit den 64 Arabidopsis-Linien überhaupt in der Lage sein würden, das pan-NLRome in seiner Gesamtheit zu untersuchen“, so Van de Weyer. Umso überraschter waren die Forscher, dass sie bereits mit 40 Linien den Großteil (> 98 %) der Unterschiede auf der Lokusebene beschreiben konnten.

Untersucht man das Referenzgenom der Spezies Arabidopsis auf NLRs, findet man nur einen Bruchteil des pan-NLRomes wieder. Anna-Lena Van de Weyer erklärt: „Es gibt Gene die im Referenzgenom überhaupt nicht vorkommen oder sich sehr von denen anderer Linien unterscheiden. Diese Unterschiede kann man aber erst erkennen, wenn man die NLRs der Genome unterschiedlicher Linien miteinander vergleicht. Unsere Studie füllte diese Wissenslücke.“

Genkombinationen verleihen Resistenz

Detlef Weigel, geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, beschreibt die Ergebnisse folgendermaßen: „Die Vielfalt der Gene ist zwar begrenzter als wir erwartet hatten, es ist aber vielmehr ihre besondere Kombination, die jedes Individuum einzigartig resistent gegen unterschiedliche Spektren von Krankheitserregern macht.“

Langfristig betrachtet kann die aktuelle Studie dazu beitragen, die Ertragssicherheit von Nutzpflanzen zu verbessern. Denn ein tieferes Verständnis des pflanzlichen Immunsystems ist auch für die gezielte Züchtung von widerstandsfähigen Sorten unerlässlich. Auch andere Wissenschaftler können von dieser Studie profitieren, denn alle Daten sind öffentlich und kostenlos.