Die Abwehrmechanismen, die Pflanzen verwenden, um einen weit verbreiteten Schädling – die Raupe – zu erkennen und darauf zu reagieren, sind einem einzigen Gen entsprungen, das sich über Millionen von Jahren entwickelt hat, wie aus einem heute veröffentlichten Bericht hervorgeht eLife.
Die Studie stellt fest, dass einige Pflanzen wie Sojabohnen dieses schützende Gen im Laufe der Zeit verloren haben, und legt nahe, dass die Züchtung von Pflanzen oder ihre gentechnische Veränderung zur Wiedereinführung des Gens vor Ernteausfällen schützen könnte.
Der Gesundheitszustand einer Pflanze hängt vom Immunsystem ab, das sie erbt. Bei Pflanzen bedeutet dies, bestimmte Arten von Mustererkennungsrezeptoren zu vererben, die bestimmte Krankheitserreger und von Pflanzenfressern stammende Peptide erkennen und eine entsprechende Immunantwort auslösen können.
„Das Vererben der richtigen Arten von Mustererkennungsrezeptoren kann es Pflanzen ermöglichen, Bedrohungen zu erkennen und mit Krankheiten und Schädlingen fertig zu werden“, erklärt Hauptautor Simon Snoeck, Postdoktorand am Department of Biology der University of Washington, USA. „Obwohl wir viele von Schädlingen stammende Moleküle kennen, die Immunantworten in Pflanzen aktivieren, ist unser Wissen darüber, wie Pflanzen die Fähigkeit zur Wahrnehmung neuer Bedrohungen entwickelt haben, begrenzt.“
Um diese Lücke zu schließen, machte sich das Team daran, die wichtigsten evolutionären Ereignisse zu definieren, die es Pflanzen ermöglichten, auf eine gemeinsame Bedrohung – die Raupe – zu reagieren. Es war bereits bekannt, dass Arten in einer Gruppe von Hülsenfrüchten – darunter Mungobohnen und Schwarzaugenerbsen – auf einzigartige Weise auf Peptide reagieren können, die aus dem Mund von Raupen produziert werden, wenn sie Pflanzenblätter fressen.
Also untersuchten sie die Genome dieser Pflanzengruppe eingehend, um festzustellen, ob sich ein gemeinsamer Mustererkennungsrezeptor namens Inceptin Receptor (INR) über Millionen von Jahren verändert hatte und die Fähigkeit zur Erkennung von Raupen erlangte oder verlor.
Sie fanden heraus, dass ein einzelnes, 28 Millionen Jahre altes Rezeptorgen perfekt mit der pflanzlichen Immunantwort auf die Raupenpeptide korrespondiert. Sie fanden auch heraus, dass unter den Nachkommen der ältesten Pflanzenvorfahren, die zuerst das Rezeptorgen entwickelten, einige Arten, die nicht auf die Raupenpeptide reagieren konnten, das Gen verloren hatten.
Um zu verstehen, wie dieses uralte Gen die Fähigkeit erlangte, neue Peptide von heutigen Krankheitserregern zu erkennen, wandte das Team eine Technik namens Ahnensequenzrekonstruktion an, bei der sie Informationen aus allen modernen Rezeptorgenen kombinierten, um die 28 Millionen Jahre alte ursprüngliche Sequenz vorherzusagen. Dieser angestammte Rezeptor war in der Lage, auf Raupenpeptide zu reagieren. Eine etwas ältere Version mit 16 Änderungen in der Rezeptorsequenz konnte dies jedoch nicht.
Diese genetische Geschichte liefert zusammen mit Computermodellen, die zeigen, wie sich die alten und aktuellen Rezeptorstrukturen möglicherweise unterschieden haben, Hinweise darauf, wie sich der Rezeptor entwickelt hat. Es deutet darauf hin, dass es vor mehr als 32 Millionen Jahren eine Schlüsselinsertion eines neuen Gens in das Genom der Urpflanze gab, gefolgt von einer schnellen Evolution verschiedener Formen des neuen Rezeptors. Eine dieser Formen erwarb die Fähigkeit, auf Raupenpeptide zu reagieren, und diese neue Fähigkeit wird nun von Dutzenden von Leguminosenarten geteilt.
„Wir haben die Entstehung und den sekundären Verlust eines Schlüsselmerkmals der Immunität in der Pflanzenevolution identifiziert“, schließt Seniorautor Adam Steinbrenner, Assistenzprofessor am Department of Biology der University of Washington.
„In Zukunft hoffen wir, mehr über Prozesse auf Genomebene zu erfahren, die neue Rezeptordiversität erzeugen und noch unbekannte Immunrezeptoren innerhalb von Pflanzengruppen identifizieren. Da immer mehr genomische Daten verfügbar werden, werden solche Ansätze „fehlende“ Rezeptoren identifizieren, die nützlich sind Eigenschaften, die wieder in Pflanzen eingeführt werden können, um die Kulturpflanzen zu schützen.“
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Simon Snoeck et al, Evolutionärer Gewinn und Verlust eines pflanzlichen Mustererkennungsrezeptors für die HAMP-Erkennung, eLife (2022). DOI: 10.7554/eLife.81050