Kann diese biotechnologische Innovation den zerstörerischen Vormarsch eines „Getreidekillers“ aufhalten?
„Wir haben etwas entdeckt, das zu einer möglichen Bekämpfungsmaßnahme gegen die schlimmste Pilzkrankheit bei Getreide führen könnte“
Eine von Großbritannien geleitete Forschungskooperation hat einen bedeutenden Schritt im weltweiten Bestreben unternommen, Getreidekulturen vor dem verheerenden Pilzpathogen „Blast“ zu schützen.
Forscher am John Innes Centre untersuchten eine kürzlich entdeckte Klasse von pflanzlichen Abwehrrezeptoren und zeigten auf molekularer Ebene, wie diese wirken, um Angriffe des Blast-Erregers einzudämmen, und wie sie biotechnologisch so verändert werden könnten, dass Weizen, Gerste und Reis eine umfassendere und dauerhaftere Immunität erhalten.
„Wir haben etwas entdeckt, das zu einer möglichen Bekämpfung der schlimmsten Pilzkrankheit bei Getreide führen könnte“, sagte Professor Mark Banfield, Gruppenleiter am John Innes Centre und Autor der Studie, die in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Kobe in Japan durchgeführt wurde.
Der Reisbrandpilz Magnaporthe oryzae ist die schwerwiegendste Krankheit des Kulturreises und hat sich in Teilen Asiens und Afrikas auch auf Weizen und Gerste ausgebreitet, weshalb innovative Lösungen zu seiner Bekämpfung für die globale Ernährungssicherheit unerlässlich sind.
Um Pflanzen zu infizieren, schleusen Krankheitserreger wie Magnaporthe oryzae Effektoren in Blatt- und Stammzellen ein, um den Wirt zu manipulieren und die Krankheit zu fördern.
Pflanzen verfügen über Rezeptoren, die Effektoren als fremde Moleküle erkennen und eine Immunantwort auslösen, die einen lokalisierten Zelltod in Gang setzt, um die intrazelluläre Ausbreitung des Erregers in der Pflanze einzudämmen.
Seit mehr als 30 Jahren konzentriert sich ein beträchtlicher Teil der Forschung auf eine Klasse von Immunrezeptoren, die als Nukleotid-bindende und Leucin-reiche Rezeptoren (NLRs) bezeichnet werden und die für unser Verständnis der pflanzlichen Immunantwort auf die Reisbrandkrankheit und andere Krankheiten eine entscheidende Rolle spielen.
In den letzten Jahren haben sich Studien zunehmend auf eine neue Klasse intrazellulärer Immunrezeptoren konzentriert, die in Getreide entdeckt wurden und als Tandem-Kinase-Proteine (TKPs) bezeichnet werden.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass TKPs eine integrierte Heavy-Metal-Associated-Domäne (HMA-Domäne) enthalten können – ein Merkmal, das auch bei einigen NLR-Rezeptoren zu beobachten ist und das sich als wichtig für die Erkennung von Effektorproteinen und die Auslösung einer Immunantwort erwiesen hat.
„Das hat unser Interesse geweckt“, sagte Professor Banfield. „Wenn wir diese integrierten HMA-Domänen durch Aminosäureveränderungen an den Bindungsstellen der Effektoren so modifizieren können, dass sie neue Eigenschaften erhalten, können wir sogenannte neuartige Erkennungsspezifitäten erzielen – und möglicherweise eine neue Frontlinie für die Abwehr von Pflanzen gegen Krankheiten schaffen.“
In dieser Studie, die in „Science Advances“ veröffentlicht wurde, nutzte die Forschungsgruppe biophysikalische Analysen und Kristallographie, um die strukturelle Wechselwirkung zwischen HMA-Domänen und Effektoren des Reisbrand-Erregers in hoher Auflösung aufzuklären.
Sie zeigen, wie HMA-Domänen eine entscheidende Rolle bei den TKPs spielen, indem sie als biologische Köder fungieren, um Pathogen-Effektoren anzulocken.
Mithilfe dieser strukturellen Erkenntnisse gelang es ihnen, TKP-Immunrezeptoren biotechnologisch so zu modifizieren, dass sie eine doppelte Spezifität aufwiesen – sie binden an Effektoren, die sowohl mit der Infektion von Weizen als auch von Gerste in Verbindung stehen, was in der Natur selten vorkommt.
Indem die Studie nachwies, dass TKPs für bioingenieurtechnische Ansätze geeignet sind, ebnet sie den Weg für weitere Forschungen zu vielen kürzlich entdeckten TKPs in verschiedenen Getreidearten – mit dem Potenzial, neue krankheitsresistente Rezeptoren maßgeschneidert zu entwickeln, die gleichzeitig auf mehrere Effektoren reagieren.
Bei diesen Proof-of-Principle-Experimenten wurden Protoplasten, also einzelne Weizenzellen, als Ersatz für das gesamte Pflanzengewebe verwendet. Der nächste Schritt für diese Forschungsgruppe besteht darin, diese Erkenntnisse aus den Ersatzversuchen auf Pflanzen im Gewächshaus zu übertragen.
„Unsere Studie zeigt, dass sich diese neue Klasse von Resistenzproteinen für gentechnische Zwecke eignet. Wir wissen nun, dass die bisherigen Werkzeuge, die wir bei der Entwicklung von NLR-Rezeptoren eingesetzt haben, möglicherweise auch bei dieser neuen Klasse funktionieren“, sagte Dr. Daniel Yu, Erstautor der Studie.
Das grundlegende Verständnis der Effektor-Rezeptor-Bindung könnte durch andere Technologien wie Präzisionszüchtung und KI-Ansätze erweitert werden – diese können dabei helfen, neue Spezifitäten in HMA-Domänen biotechnologisch zu integrieren.
„Wir gehen davon aus, dass diese beiden Klassen von Immunrezeptoren, NLRs und TKPs, wahrscheinlich auf unterschiedliche Weise aktiviert werden“, sagte Professor Banfield. „Das bietet das Potenzial für eine robustere Immunität im Freiland, da man nicht alles auf eine Karte setzt. Auf lange Sicht könnten wir möglicherweise Techniken einsetzen, um Gene, die für TKPs und NLRs kodieren, gemeinsam gegen dieselbe Krankheit zu kombinieren und so eine extrem resistente Kulturpflanze zu schaffen. Da sie die Immunität auf unterschiedliche Weise aktivieren, dürfte es für einen Erreger schwieriger sein, sich dagegen zu entwickeln“, fügte er hinzu.
Jedes Jahr vernichtet die Reisbrandkrankheit so viel Reis, dass damit 60 Millionen Menschen ernährt werden könnten. Bei Weizen wurde der Reisbrandpilz erstmals in den 1980er Jahren in Brasilien entdeckt und hat sich seitdem nach Asien und Afrika ausgebreitet. In Großbritannien ist er noch nicht aufgetreten, doch der Klimawandel bedeutet, dass er letztendlich eine Bedrohung für die Getreideproduktion in Nordeuropa darstellen könnte.
Die gentechnische Entwicklung von Tandem-Kinase-Immunrezeptoren bei Pflanzen erweitert die Erkennungsprofile der Effektorproteine – veröffentlicht in „Science Advances“
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