Echter Mehltau kann in Gerste zu Ernteverlusten von bis zu 40 Prozent führen. Zum Schutz davor hat die Evolution die Gerste mit einer Vielzahl von Immunrezeptoren ausgestattet, die hochspezifisch jeweils ein Mehltau-Protein erkennen, auch Effektor genannt, das nur in einem Stamm einer genetisch vielfältigen Mehltau-Population vorkommt. Baupläne für diese Immunrezeptoren sind Resistenzgene der Pflanze, die seit Jahrzehnten von Pflanzenzüchtern in Zuchtprogrammen aus Wildformen in Nutzpflanzen eingekreuzt werden. Neue Erkenntnisse können nun dabei helfen, Gerste und andere Gräser widerstandsfähiger gegen diese Krankheit zu machen.

Forschenden des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln ist es gelungen, die Struktur eines Immunrezeptors namens MLA13 im Komplex mit seinem korrespondierendem Pilz-Effektor AVRA13-1 zu bestimmen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern von der Universität Köln und der Westlake University in Hangzhou, China, nutzten sie dazu die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Dabei werden Proben tiefgekühlt, um die filigranen Strukturen der Proteine mit ihrer natürlichen Faltung zu erhalten. Die atomare Auflösung zeigt, wie der Immunrezeptor der Pflanze und der Pilz-Effektor sich aneinanderlagern und welche Struktur der Pilz-Effektor dabei annimmt. Die Ergebnisse ermöglichten es, eine synthetische Version eines anderen Immunrezeptors so zu verändern, dass er den Pilz-Effektor erkennt.

Immunrezeptoren durch Gen-Editierung modifizieren

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, sodass 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.

Der Erstautor der Studie, Aaron W. Lawson vom MPIPZ, und seine Kollegen zeigten nun, wie Immunrezeptoren 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.

Quelle: idw-online