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H2020

BoostR — Ergebnis in Kürze

Project ID: 708899
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Vereinigtes Königreich
Bereich: Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Pflanzen: Bessere Resistenz gegen Krankheiten

Pflanzen haben komplexe Mechanismen entwickelt, um Widerstand gegen Krankheitserreger leisten zu können. Um ihre Resistenz gegen Schädlinge zu steigern und den Einsatz von Pestiziden möglichst gering zu halten, muss man zunächst die komplizierten vernetzten Immunsysteme der Pflanzen verstehen.
Pflanzen: Bessere Resistenz gegen Krankheiten
Vor mehr als 75 Jahren hat Harold Henry Flor herausgefunden, dass die Vererbung von Widerstandsfähigkeit und Parasitismus bei Pflanzen von einzelnen Genen in der Pflanze und dem Krankheitserreger bestimmt wird, die zueinander passen. Seitdem haben zahlreiche Studien gezeigt, dass die Funktionsprinzipien der genbasierten Immunität bei Pflanzen weitaus komplexer sind als Flors einfache binäre Hypothese annahm. Momentan geht man davon aus, dass die Krankheitsresistenz bei Pflanzen von dynamischen Mengen von Immunrezeptoren kodiert wird, die in genetischen und biochemischen Netzwerken miteinander verknüpft sind.

Pathogene Effektoren finden

Die Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Dr. Lida Derevnina hat im Labor von Prof. Sophien Kamoun im Sainsbury Laboratory im britischen Norwich geforscht. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts BoostR erarbeiteten sie gemeinsam neue Erkenntnisse über ein intrazelluläres Netzwerk von Immunrezeptoren, das aus NLR-Proteinen besteht (engl. nucleotide-binding domain leucine-rich repeat proteins).

Die zum NLR-Netzwerk gehörigen Proteine sind evolutionär verwandt und haben sich wahrscheinlich vor über 100 Millionen Jahren ausgebreitet, wobei sie Resistenzen gegen verschiedene Krankheitserreger der Familie der Solanaceae weitergegeben haben. Zu den auch als Nachtschattengewächse bekannten Solanaceae gehören viele landwirtschaftlich wichtige Nutzpflanzen wie Tomaten, Kartoffeln oder Tabak.

In diesem Netzwerk senden drei Helfer-NLR, auch NRC genannt, das Abwehrsignal aus. Eine Gruppe von agrarwirtschaftlich bedeutsamen Sensor-NLR, die sich darauf spezialisiert haben, pathogene Moleküle zu erkennen, braucht wiederum diese NRC. NRC-Helfer spielen hier eine tragende Rolle, da sie sowohl redundant als auch nicht redundant dafür sorgen, dass durch die Vermittlung über die Sensoren eine Immunreaktion ausgelöst wird.

Die grundlegende Hypothese der Wissenschaftler von BoostR war, dass Veränderungen der NRC die Krankheitsresistenz von Solanaceae gegen eine Vielzahl von verheerenden Krankheitserregern verbessern können. „Mein Ansatz zielt darauf ab, synthetische NRC zu erzeugen, die Resistenzen gegen ein großes Spektrum von Krankheiten haben“, erklärt Dr. Derevnina.

All ihre Experimente wurden an dem Pflanzenmodellorganismus Nicotiana benthamiana durchgeführt, eine Pflanzenart, die zu den Solanaceae gehört. Außerdem wurden Effektoren verschiedener Krankheitserreger darauf hin untersucht, ob sie die Signale der NRC unterdrücken können. Die Wissenschaftler fanden zwei derartige Effektoren – AVRcap1b von P. infestans und SPRYSEC von Globodera spp. – und beschrieben ihre Wirkungsweise.

Anhand dieser Informationen konnten sie chimäre NRC erzeugen. Dazu tauschten sie Proteindomänen in unterschiedlichen Kombinationen, um herauszufinden, welche von ihnen die Aufwärtskommunikation mit den NRC-abhängigen Sensor-NRL aufrechterhielten, von pathogenen Effektoren aber nicht unterdrückt wurden. Nach der Validierung mit Hilfe von Assays zur Genkomplementation wurden diese Chimären in Experimenten zum Konzeptnachweis getestet. Demnächst folgen Tests in Tomaten und Kartoffeln, um ihren Wert für Züchtungsprogramme zu bestimmen.

Modifikationen des Pflanzenimmunsystems und ihre Folgen

Dr. Derevnina betont: „Dass diese Krankheitserreger sich evolutionär auseinanderentwickelt haben, aber den Wirt über denselben Pfad angreifen, zeigt wie wichtig NRC-Helferproteine sind, um Immunität gegen verschiedene Krankheitserreger zu erzeugen, die Solanaceae befallen.“ Mit der Untersuchung von pathogenen Effektoren, die NRC-Proteine sowohl direkt als auch indirekt angreifen, können wir unsere Kenntnisse über die molekularen Mechanismen hinter dem Befall mit Krankheitserregern und auch der Wirtserkennung erweitern sowie gleichzeitig die Funktionsweise der NLR besser verstehen. Am wichtigsten ist allerdings, dass uns damit neue Strategien für die Züchtung widerstandsfähigerer Pflanzen zur Verfügung stehen.

Die Ergebnisse des Projekts haben weitreichende Folgen für die Landwirtschaft, denn sie schaffen die Möglichkeit, Nutzpflanzen anzubauen, die gegen eine Vielzahl von agrarwirtschaftlich wichtigen Krankheitserregern resistent sind, und somit den Ertrag zu steigern und gleichzeitig den Einsatz von Pestiziden zu minimieren. Dr. Derevnina sieht das Potenzial, dass „diese neue Forschungsrichtung an Rezeptorennetzen von pflanzlichen Immunsystemen ab jetzt weltweit eine Schlüsselrolle spielen wird, wenn es um Züchtungsprogramme für Krankheitsresistenz geht.“

Schlüsselwörter

BoostR, Krankheitserreger, Resistenz, NRC, NLR, Immunsystem, Pestizide, chimäre NRC
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