Molekulare Zielstrukturen zur Stärkung der pflanzlichen Immunität
Pflanzen sind nicht nur eine Hauptnahrungsquelle, sie tragen auch zur Klimaregulierung bei und bieten einer Vielzahl von Arten Lebensraum. Pflanzengesundheit zu gewährleisten, ist daher für unser allgemeines Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung. Dies stand im Mittelpunkt des Projekts DeCaETI, in dem die Rolle von Kalzium für die pflanzliche Immunität untersucht wurde. So trägt Kalzium zwar nachweislich dazu bei, Abwehrreaktionen gegen entdeckte Krankheitserreger auszulösen, aber die genaue Art und Weise der Regulierung dieser Reaktion ist noch weitgehend unverstanden. „Wir beabsichtigten mehr darüber herauszufinden, wie die Kalziumsignalübertragung direkt durch pflanzliche Nukleotid-bindende Leucin-rich-Repeat-Rezeptoren (NLR) aktiviert wird“, erklärt Yuxiang Jiang(öffnet in neuem Fenster), derzeit Professor an der Beijing Forestry University(öffnet in neuem Fenster) und Teil des Teams des EU-finanzierten Projekts DeCaETI. Diese pflanzlichen Nukleotid-bindenden Leucin-rich-Repeat-Rezeptoren sind intrazelluläre Immunrezeptoren, die Pathogenangriffe überhaupt erst erkennen. „Die Aufklärung dieses spezifischen Zusammenhangs zwischen der Pathogenwahrnehmung durch Nukleotid-bindende Leucin-rich-Repeat-Rezeptoren und der Auslösung von Kalziumsignalen ist für das Verständnis der ersten Schritte einer robusten Immunantwort grundlegend wichtig“, fügt Jiang hinzu.
Kalziumdynamik und intrazelluläre Immunrezeptoren
Mit dem Projekt DeCaETI, das von Pingtao Ding’s Laboratory(öffnet in neuem Fenster) am Institute of Biology Leiden(öffnet in neuem Fenster) der Universität Leiden(öffnet in neuem Fenster) koordiniert wird und innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) Unterstützung erhält, wird mehr Licht in diesen Zusammenhang gebracht. „Wir verfolgten die Absicht, die Kalziumdynamik zu entschlüsseln, die durch diese intrazellulären Immunrezeptoren aktiviert wird, und die Rolle der Nukleotid-bindenden Leucin-rich-Repeat-Rezeptoren bei der Erzeugung von Kalziumsignaturen charakterisieren“, erklärt Jiang. „Außerdem ging es uns um die Ermittlung von Calmodulinen (kalziumbindenden Proteinen) und weiteren auf Kalzium reagierenden Proteinen, die diese Kalziumsignaturen während der NLR-vermittelten Immunaktivierung entschlüsseln.“ Zu diesem Zweck wandte Jiang bei dieser Forschung mehrere fortgeschrittene Verfahren an. Um zum Beispiel die Kalziumdynamik in Zellen bei Immunitätsreizen abzubilden, konstruierten er und sein Team einen Marker, der diese Dynamik im Zellkern und im Zytosol gleichzeitig hervorhebt. „Wir haben uns auf eine bestimmte NLR-Gruppe konzentriert, die Helfer-NLR“, berichtet Jiang. „Wir fanden heraus, dass verschiedene Helfer-NLR die Immunitätsgenexpression zu unterschiedlichen Zeitpunkten induzieren können, was sowohl die räumlichen als auch die zeitlichen Regulierungseigenschaften der angeborenen pflanzlichen Immunität widerspiegelt und es somit der Pflanze ermöglicht, eine schrittweise Strategie zur Selbstverteidigung anzuwenden.“
Pflanzengesundheit durch Helfer-NLR unterstützen
Diese Erkenntnisse könnten wichtige Auswirkungen darauf haben, wie wir die Pflanzengesundheit unterstützen, wobei die Helfer-NLR eine wichtige Zielstruktur zur Stärkung der Immunantwort darstellen. „Dadurch, dass eine leistungsstarke, universelle Zielstruktur gefunden wurde, könnte diese Forschung die intelligente Pflanzenzucht direkt voranbringen“, betont Jiang. „Helfer-NLR fungieren als zentrale Verstärker der pflanzlichen Immunantwort. Indem wir nachweisen, dass sie ein wichtiger Dreh- und Angelpunkt sind, gelangen wir zu Strategien, mit denen die Resistenz gegen ein breites Spektrum von Krankheiten verbessert werden könnte.“ So könnte bei der Zucht beispielsweise die nächste Generation der Genomeditierung (verbesserte CRISPR-Methode, Prime Editing) oder die markergestützte Selektion angewandt werden, um Helfer-NLR-Gene zu optimieren und auf diese Weise Kulturpflanzen mit einer stärkeren, dauerhaften angeborenen Immunität zu erschaffen. Somit würden auch die Abhängigkeit von chemischen Pestiziden verringert und die Ertragsstabilität erhöht werden.
Erkenntnisse auf Hauptkulturpflanzen anwenden
Zu den nächsten Schritten gehört, die projekteigenen Entdeckungen aus dem Labor in die Praxis zu übertragen. „In erster Linie möchten wir unsere Erkenntnisse auf wichtige Nutzpflanzen wie Tomaten und Gerste anwenden, wozu wir mithilfe von Genomeditierungsverfahren optimierte Helfer-NLR entwickeln“, fügt Jiang hinzu. Es befindet sich überdies ein chemisches Screeningprogramm zur Identifizierung und Entwicklung von niedermolekularen Verbindungen in Vorbereitung, die die Aktivität der NLR-Helfer sicher und wirksam stimulieren können. „Dieser duale Ansatz aus genetischer Züchtung und agrochemischer Innovation wird praktische Instrumente zur Stärkung der Resilienz von Pflanzen, zur Verringerung der Abhängigkeit von Pestiziden und zur Integration dieser Lösungen in nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken liefern“, erläutert Jiang.
