Tandem-Kinase-Proteine

Auf unseren Feldern findet ein Wettrüsten statt. Forschende züchten Pflanzen mit Krankheitsresistenzen, die Schädlinge ziehen nach, werden virulenter und überkommen die Abwehr. Die Folge: Immer häufiger ist unsere Nahrungsgrundlage bedroht. Zu den Erregern, die weltweit den größten Schaden verursachen, gehört der Reisbrandpilz Magnaporthe oryzae.

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Er kommt in mindestens 85 Ländern vor und verursacht jährlich erhebliche Ernteverluste. Schätzungen gehen davon aus, dass 10 bis 30 Prozent der gesamten Reisernteverluste auf das Konto dieses einen Schädlings gehen. Und obwohl der Name anderes vermuten lässt, kann er nicht nur Reis, sondern auch verwandte Getreidepflanzen befallen, darunter Weizen, Roggen, Gerste und Perlhirse. Entsprechend intensiv suchen Forschende nach neuen Allelen, um die Pflanzen gegen M. oryzae resistent zu machen.

Direkte Bindung an den Effektor

Eine neue Klasse von Verteidigungsmolekülen sind die Tandemkinase-Proteine (TKPs), die in einkeimblättrigen Pflanzen entdeckt worden sind. Bisher sind bereits zehn TKPs identifiziert worden, die gegen pilzliche Pathogene wirksam sind. Darunter zum Beispiel RPG1 aus Gerste, das eine Resistenz gegen Stammrost vermittelt. Unklar war bislang, ob TKPs die Effektormoleküle der Pathogene direkt erkennen oder andere pathogenassoziierte Strukturen.

In einer neuen Studie zeigt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Gitta Coaker von der University of California, dass das Tandemkinase-Protein RWT4 aus Weizen direkt an das Effektormolekül AvrPWT4 aus M. oryzae bindet.

Durch diese Bindung werden Abwehrmechanismen der Pflanze aktiviert: Sie exprimiert Verteidigungsgene und der lokale, programmierte Zelltod beginnt. So verhindert die Pflanze, dass sich der Pilz weiter in ihr ausbreiten kann. Weizensorten ohne eine resistente Variante von RWT4 sind der Infektion schutzlos ausgeliefert.

Kinasedomäne markiert Effektor

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In einem weiteren Experiment nutzten die Forschenden Reisprotoplasten, die sie mit Rwt4 und AvrPwt4 beziehungsweise einer virulenten Variante namens VirPwt4 transformierten. Sie stellten die Hypothese auf, dass VirPw4 von den Pflanzen nicht erkannt werden kann – und sie behielten Recht. Nur in den Reisprotoplasten, in denen Rwt4 und AvrPwt4 gemeinsam auftraten, kam es zum Zelltod. VirPwt4 hingegen wurde von Rwt4 nicht erkannt - es kam keine Signalkaskade für den programmierten Zelltod in Gang.

Als nächstes analysierte das Team die Domänen des Proteins genauer. Sie fanden heraus, dass RWT4 eine aktive Kinase und eine Pseudokinase enthält. Die Kinase phosphoryliert den Effektor und ist notwendig, um die Verteidigungsreaktion zu starten.

AlphaFold half bei Strukturanalyse

Strukturanalysen mit Hilfe von AlphaFold zeigten zudem, dass RWT4 im N-terminalen Bereich eine ganz besondere Struktur aufweist: eine partielle Duplikation der Kinasedomäne (KDup) mit einer Länge von etwa 100 Basenpaaren. Diese Region ist entscheidend für die spezifische Erkennung und Bindung von AvrPwt4. Bereits zwei Punktmutationen innerhalb von KDup reichen aus, um die Bindung vollständig zu verhindern. Auch die Pseudokinase-Domäne interagiert mit dem Effektormolekül, reicht allein jedoch nicht für eine stabile Interaktion aus.

Weitere TKP-vermittelte Resistenzen bekannt

Vor kurzem erst sind weitere TKP-vermittelte Resistenzen in Gräsern beschrieben worden. Da wäre zum einen die Tandemkinase WTK3, die eine Resistenz gegen Echten Mehltau ausgelöst durch Blumeria graminis f. sp. Tritici vermittelt. Obwohl das Gen Rwt4 eine allelische Beziehung zu Wtk3 aufweist, ist bislang unklar, welches Effektormolekül an WTK3 bindet. Blumeria graminis scheint jedenfalls kein PWT4-ähnliches Molekül zu produzieren.

Man weiß jedoch, dass WTK3 nur in Zusammenarbeit mit dem WTN1-Protein wirksam ist. Die beiden Proteine bilden einen Sensor-Executor-Komplex und teilen sich die Arbeit auf. WTK3 erkennt das Pathogen, WTN1 leitet dieses Signal weiter. Vermutlich gibt es eine ähnliche Arbeitsteilung auch bei RWT4, nur ist das Helfermolekül bisher unbekannt.

Neue Impulse für die Resistenzzüchtung

Die Erkenntnisse dieser Studie eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung resistenter Getreidesorten. Mittels Präzisionszüchtung oder biotechnologischer Methoden ließe sich RWT4 gezielt in unterschiedliche Pflanzenarten einbringen, um sie gegenüber dem Reisbrandpilz widerstandsfähiger zu machen.

Quelle:
Sung, Y. C. et al. (2025): Wheat tandem kinase RWT4 directly binds a fungal effector to activate defense. In: Nature Genetics (14. April 2025). https://doi.org/10.1038/s41588-025-02162-w

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

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Titelbild: Wie alle Getreidearten wird auch Reis von zahlreichen Pilzkrankheiten bedroht. (Bildquelle: © 中国新闻网 / Wikipedia, CC BY 3.0)