Wachstum oder Pilzabwehr – dieses Reisprotein kann beides

Forscher entdecken in Reis einen Transkriptionsfaktor, der situationsabhängig wachstumsfördernde Gene oder Abwehrgene aktiviert. Das ist ein neues Phänomen  – aber möglicherweise alles andere als ein Einzelfall.

Muss das pflanzliche Immunsystem auf Pathogene reagieren, erfolgt das häufig auf Kosten des Wachstums. Umgekehrt schwächt eine Wachstumsphase bei Pflanzen deren Immunsystem. Aus der Ackerschmalwand sind zahlreiche Transkriptionsfaktoren bekannt, die dafür jeweils verantwortlich sind. Ein einzelnes Protein, das sowohl den Ertrag verbessert und gleichzeitig eine Krankheitsresistenz vermittelt, war bislang jedoch nicht bekannt.

Für die Pflanzenzüchtung sind Ertrag und Resistenz deshalb meist Zielkonflikte, zwischen denen Kompromisse gefunden werden müssen. Eine neue Perspektive hat jetzt eine internationale Forschungsgruppe eröffnet: Das Team um Xuewei Chen von der Sichuan Agricultural University berichtet von einem Transkriptionsfaktor in Reis, der normalerweise das Wachstum fördert, in der Gegenwart eines bestimmten Krankheitserregers aber kurzzeitig eine Immunantwort aktiviert, bevor er dann wieder zu seiner ursprünglichen Funktion zurückkehrt.

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Ein bestimmtes Allel erhöht den Ertrag auch bei Infektion

Die Forscher wurden auf den „SQUAMOSA-Promoter bindenden proteinartigen Transkriptionsfaktor“ (SPL) aufmerksam, weil Reispflanzen mit einem bestimmten Allel des SPL-codierenden Gens Ideal Plant Architecture 1 (IPA1) im Feldversuch zehn Prozent höhere Erträge erbrachten. Untersuchungen ergaben, dass das Allel ipa1-1D für erhöhte Gehalte an IPA1-RNA und des entsprechenden Proteins verantwortlich ist.

Weitere Studien sollten nun zeigen, ob das Allel ipa1-1D auch dann noch die Leistung der Pflanzen steigert, wenn diese einem Befallsdruck durch Magnaporthe oryzae, den Erreger der Blattbräune, unterliegen. Zur Überraschung der Forscher konnten sie nicht nur die um zehn bis 13 Prozent höheren Erträge unter normalen Bedingungen bestätigen. In Gegenwart des Blattbräuneerregers übertrafen ipa1-1D-Pflanzen den Wildtyp sogar um rund 30 bis 50 Prozent.

Phosphorylierung verändert das Bindungsverhalten

Die Vermutung lag nahe, dass IPA1 die Resistenz gegen M. oryzae verbessert. Versuche mit Pflanzen, die IPA1 überexprimierten bzw. aufgrund von RNA-Interferenz unterdrückten, bestätigten diesen Verdacht. Auffällig war jedoch, dass sich die Menge der IPA1-RNA und -proteine durch die Gegenwart des Pilzerregers nicht veränderte. Die Pflanzenforscher analysierten deshalb, ob die IPA1-Proteine möglicherweise phosphoryliert werden. Tatsächlich akkumulierte phosphoryliertes IPA1 drei Stunden nach der Infektion mit M. oryzae und erreichte ein Maximum nach sechs bis zwölf Stunden. Nach 48 Stunden stellte sich wieder ein normales Niveau ein.

Mittels ChIP-Seq (chromatin immunoprecipitation DNA sequencing) zeigte sich, dass IPA1 den Transkriptionsfaktor WRKY45 hochreguliert, der bekanntermaßen an den Resistenzmechanismen gegen den Blattbräuneerreger beteiligt ist. Wurde IPA1 mittels RNA-Interferenz unterdrückt, verringerte sich auch die Aktivität von WRKY45 in Reaktion auf eine Infektion. Den zugrunde liegenden Mechanismus konnte das Team aufklären: IPA1 bindet an die WRKY45-Promotersequenz.

Die Analyse zeigte aber auch, dass die Expression von DEP1 (Dense and Erect Panicle) während einer Infektion mit M. oryzae unterdrückt wurde. DEP1 führt zu weniger unproduktiven Seitentrieben und mehr Körnern je Rispe, was in einem höheren Ertrag resultiert. IPA1 agiert für DEP1 als Promoter. Das schließlich führte die Forscher zu der Vermutung, dass die Phosphorylierung von IPA1 infolge einer Infektion das Bindungsverhalten des Proteins an die DNA verändert.

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Phosphorylierungsstellen und Bindungssequenzen aufgeklärt

Weitere Experimente u. a. mit verschiedenen IPA1-Mutanten erbrachten die Erkenntnis, dass in Gegenwart des Pilzes bei IPA1 die Aminosäure Ser¹⁶³ phosphoryliert wird, die in der DNA-Bindungsdomäne liegt. Phosphoryliert bindet das Protein nun an eine andere Sequenz (TGGGCC), die sich im Promoter des Abwehrgens WRKY45 findet. Nach etwa 48 Stunden kehrt IPA1 in den unphosphorylierten Zustand zurück und bindet wieder das gewohnte DNA-Muster (GTAC), das sich im Promotorbereich von DEP1, dem ertragsrelevanten Gen, befindet.

„IPA1 verbessert somit sowohl Ertrag als auch Krankheitsresistenz, indem es eine Balance zwischen Wachstum und Immunität aufrecht erhält“, resümieren die Forscher. IPA1 sei der erste bekannte Transkriptionsfaktor mit einer solchen Doppelfunktion in zwei unterschiedlichen biologischen Prozessen. Weil IPA1-1D-Pflanzen im Vergleich zum Wildtyp sowohl höhere Gehalte an nicht-phosporylierten IPA1-Protein in gesundem Zustand als auch höhere Gehalte an phosphorylierten IPA1-Protein während eines Pathogenangriffs aufweisen, sorgt das Allel in beiden Fällen für die eingangs beobachtete signifikante Ertragssteigerung.

Weit verbreitetes Phänomen?

Abschließend äußern die Forscher in ihrer Studie noch eine weiterreichende Vermutung: „Eine Veränderung der DNA-Bindungsspezifität mittels Phosphorylierung einer Aminosäure, um zwischen verschiedenen Resultaten zu wechseln, könnte sich als weit verbreitetes Phänomen herausstellen.“