Struktur enthüllt

Krankheitserreger und Pflanzen befinden sich seit vielen Millionen Jahren in einem Wettrüsten. Die Pathogene versuchen, die pflanzliche Abwehr zu umgehen. Die Pflanzen setzen alles daran, dass das nicht gelingt. Ein weit verbreiteter Schadpilz ist der Gräser-Mehltau, ausgelöst durch Blumeria graminis, der Gerste, Weizen und andere Gräser befallen kann. Bei Gerste kann Mehltau einen Ernteverlust von bis zu 40 Prozent auslösen.

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Pflanzen verteidigen sich gegen den Mehltau-Erreger mit Hilfe von sogenannten MLA-Immunrezeptoren. Bei Gerste vermittelt MLA13 eine Resistenz gegen solche Mehltaupilze, die den Effektor AVR_A13-1 produzieren. In einer aktuellen Studie zeigt ein internationales Forscherteam jetzt, wie genau dieser Effektor und sein Rezeptor aneinander binden und wie sich mit Hilfe von gezielten Veränderungen die Bandbreite der erkannten Effektoren – und damit die Resistenz der Pflanzen – vergrößern lässt. Federführend verantwortlich waren Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, Elmar Behrmann von der Universität zu Köln und Jijie Chai an der Westlake University in Hangzhou, China.

Heterodimer statt Pentamer

Um die Ergebnisse besser zu verstehen, muss man zunächst wissen, wie die Immunreaktion in anderen Pflanzen abläuft. An Weizen und Ackerschmalwand wurde bereits gezeigt, dass sich andere Effektor-Rezeptor-Komplexe zu pentameren Resistosomen zusammenlagern. Diese setzen eine starke Immunantwort in Gang, die zum gezielten Absterben von Pflanzenzellen führt, damit das Pathogen sich nicht weiter ausbreiten kann.

Bei MLA und seinem Effektor sieht die Sache jedoch anders aus. Die Analyse von in Tabakpflanzen exprimierten Rezeptoren und Effektoren mit Hilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie zeigte, dass beide in einem stabilen, heterodimeren Komplex vorliegen. Die Bindung von Rezeptor und Effektor ist dabei notwendig, damit es zum programmierten Zelltod kommt.

Gibt es hier ein Resistosom?

Das ist „unerwartet“ und „wirft Fragen auf“, schreiben die Forschenden in dem Paper, das im Journal EMBO erschienen ist.

Sie machen drei Vorschläge, was hinter dem Ergebnis stecken könnte:

1. Es gibt ein pentameres MLA-Resistosom, das sich jedoch bei der Zelllyse oder der Purifikation aufgelöst und zu Heterodimeren umgelagert hat.
2. Das MLA-Resistosom liegt in zu niedriger Konzentration vor, als dass es bei der Reinigung gefunden werden konnte, ist jedoch immer noch in ausreichend hoher Zahl vorhanden, um den rezeptorvermittelten Zelltod auszulösen.
3. Das stabile Heterodimer stellt eine neue Möglichkeit dar, das Immunsystem zu stimulieren und den gezielten Zelltod auszulösen.

AlphaFolds Vorhersagen versagten

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Das Effektormolekül von Blumeria graminis besitzt dabei eine ungewöhnliche, RNase-ähnliche Faltung. Solch eine Faltung findet sich normalerweise bei Enzymen, die RNA abbauen. In diesem Fall dient sie jedoch nicht einer enzymatischen Aktivität, sondern ermöglicht die Bindung an den pflanzlichen Rezeptor.

Die Forschenden untersuchten auch, wie gut der Algorithmus AlphaFold 3 anhand der Sequenzdaten von MLA13 und AVRA13-1 die Struktur des Heterodimers vorhersagen kann. AlphaFold 3 machte mehrere Vorhersagen zur Bindung des Effektors am Rezeptor, doch keine davon stimmte mit der überein, die im Experiment beobachtet wurde.

Rezeptoren mit breiterem Wirkspektrum

Das Team nutzte die experimentell gewonnenen Erkenntnisse über die Bindungsstelle schließlich für ein gezieltes Rezeptor-Engineering. Sie veränderten in dem verwandten Rezeptor MLA7 eine einzelne Aminosäure. Das reichte aus, damit der Rezeptor zusätzlich zu seinem bisherigen Effektor-Molekül auch noch AVR_a13-1 und AVr_a13-V2 – eine virulente Variante, gegen die bisher kein Rezeptor bekannt war – erkennen konnte. „Eine Vergrößerung der Spezifität der Effektor-Erkennung durch minimale Veränderungen, wie Einzelbasen-Gene-Editing, ist ein reizvoller Ansatz, um eine dauerhaftere Krankheitsresistenz in Nutzpflanzen zu erreichen“, heißt es in dem Paper.

Das gezielte Einkreuzen von erwünschten Eigenschaften ist normalerweise eine zeit- und arbeitsintensive Sache. Will man Getreide mit einer besseren Krankheitsresistenz erschaffen, wird das ganze dadurch erschwert, dass sich die Pathogene sehr schnell weiterentwickeln. Traditionelle Züchtungsmethoden können mit dieser Geschwindigkeit nicht mithalten. Das Rezeptor-Engineering könnte diese Lücke füllen. Da MLA-Immunrezeptoren auch eine Immunität gegen Rost- oder Brandpilze vermitteln können, hat diese Technik das Potenzial, unsere Grundnahrungsmittelpflanzen vor zahlreichen Krankheiten zu schützen.​​​​​​

Quelle:
Lawson A. W. et al.: The barley MLA13-AVR_A13 heterodimer reveals principles for immunoreceptor recognition of RNase-like powdery mildew effectors. In: EMBO (Juni 2025). doi: 10.1038/s44318-025-00373-9

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Gewinner der Globalisierung – Wie Weizenmehltau sich weltweit ausbreitete
• Das Projekt BarEpiEdit – Ein modifiziertes CRISPR/Cas-System soll epigenetisch Resistenzen aktivieren
• Tandem-Kinase-Proteine – Pathogeneffektor geht Immunsystem in die Falle           
• Kampf dem Schwarzrost – Resistosom-Struktur von Weizen entschlüsselt

Titelbild: Gräser-Mehltau an Gerste, ausgelöst durch Blumeria graminis. (Bildquelle: © Insect Images, Bugwood Network, University of Georgia / USDA Forest Service (Bild-Nr. 1436028), Wikipedia, CC BY 3.0 us)