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Forschende haben die Struktur eines Gerstenproteins entschlüsselt, das Immunität gegen eine weit verbreitete Pilzkrankheit vermittelt. Solche Strukturen könnten in Zukunft helfen, Nutzpflanzen wirksamer vor Krankheiten zu schützen.
Echter Mehltau ist eine weit verbreitete Pilzkrankheit der Gerste in gemäßigten Klimazonen wie in weiten Teilen Europas, die zu Ernteverlusten von bis zu 40 Prozent führen kann. Zum Schutz vor Mehltau hat die Evolution die Gerste mit einer Vielzahl von Immunrezeptoren ausgestattet, die hochspezifisch jeweils ein Mehltauprotein erkennen, auch Effektor genannt, das nur in einem Stamm einer genetisch vielfältigen Mehltaupopulation vorkommt. Baupläne für diese Immunrezeptoren sind Resistenzgene der Pflanze, die seit Jahrzehnten von Pflanzenzüchtern in Zuchtprogrammen aus Wildformen in Nutzpflanzen eingekreuzt werden. Die Erkenntnisse aus der aktuellen Studie könnte Wissenschaftler:innen dabei helfen, Gerste und verwandte Arten wie Weizen widerstandsfähiger gegen diese Krankheit zu machen. Forschenden des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln ist es nun gelungen, die Struktur eines Immunrezeptors namens MLA13 im Komplex mit seinem korrespondierendem Pilz-Effektor AVRA13-1 zu bestimmen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift EMBO Journal veröffentlicht.
Die Forschenden um Paul Schulze-Lefert vom MPIPZ, Elmar Behrmann von der Universität zu Köln und Jijie Chai von der Westlake University in Hangzhou, China, nutzten dazu die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Bei der Kryo-EM werden Proben rasch auf kryogene Temperaturen tiefgekühlt, um die filigranen Strukturen der Proteine mit ihrer natürlichen Faltung zu erhalten. Die abgeleitete Struktur mit atomarer Auflösung zeigt, wie der Immunrezeptor der Pflanze und der Pilz-Effektor sich fest aneinanderlagern und welche Struktur der Pilz-Effektor dabei annimmt.
Diese Ergebnisse ermöglichten es dem Erstautor Aaron W. Lawson, eine synthetische Version eines anderen Immunrezeptors, MLA7, zu entwickeln, der einen Pilz-Effektor namens AVRA7 erkennt. Die Sequenzen der MLA-Immunrezeptoren sind sich sehr ähnlich, auch die von MLA7 and MLA13. Lawson und seine Koautoren fragten sich daher, ob sie die Struktur von MLA13-AVRA13-1 nutzen könnten, um die Erkennungsspezifität von MLA7 zu verändern. Tatsächlich gelang es den Autoren, durch die Veränderung einer einzigen Aminosäure in der Proteinsequenz von MLA7 eine neue Version von MLA7 zu entwickeln, die nun AVRA13-1 erkennt, aber weiterhin auch AVRA7.
In der Pflanzenzüchtung sind traditionell zeitaufwändige Kreuzungen notwendig, um Pflanzen mit der gewünschten Kombination von Eigenschaften zu erzielen.
Der Pilz, der den Echten Mehltau der Gerste verursacht, kann sich jedoch innerhalb einer Woche mit einer Vielzahl von Nachkommen vermehren, so dass in der Natur rasch neue Pilzstämme mit veränderten Effektoren entstehen. Herkömmliche Methoden der Pflanzenzüchter und der Resistenzzüchtung können mit dem Auftreten virulenter Varianten des Pilzerregers nicht Schritt halten.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, wie Immunrezeptoren gezielt verändert werden können, um ihre Spezifität zu verändern oder zu erweitern. Die Kenntnis dieser Proteinstrukturen ermöglicht es, die genetischen Baupläne dieser Rezeptoren durch Gen-Editierung so zu verändern, dass die Gerste gegen mehrere Mehltaustämme geschützt ist.
Die Gene, die für MLA-Immunrezeptoren kodieren, stammen von einem gemeinsamen Vorfahren, zu dem auch die verwandten Gräser Gerste, Weizen, Hafer und Roggen gehören. Diese Gene kommen in jeder dieser Getreidearten vor. Da MLA-Immunrezeptoren auch gegen andere weit verbreitete Pilzerreger wie Rostpilze und Reisbräune schützen können, haben geneditierte Resistenzgene das Potenzial, als Blaupause für breit wirksame MLA- Rezeptoren zu dienen. Damit könnten diese Grundnahrungsmittel widerstandfähiger gegen eine Vielzahl wirtschaftlich bedeutender Krankheiten werden.
Prof. Dr. Paul Schulze-Lefert
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
mail: schlef@mpipz.mpg.de
https://doi.org/10.1038/s44318-025-00373-9
Mit Echtem Mehltau infizierte Gerstenblätter.
Aaron W. Lawson
Aaron W. Lawson
Criteria of this press release:
Journalists
Biology
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Mit Echtem Mehltau infizierte Gerstenblätter.
Aaron W. Lawson
Aaron W. Lawson
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