Moleküle zur Stärkung der Pflanzenimmunität identifiziert

Zwei in der Zeitschrift veröffentlichte Studien Wissenschaft von Forschern des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, Deutschland, in Zusammenarbeit mit Kollegen in China haben natürliche Zellmoleküle entdeckt, die kritische Pflanzenimmunantworten antreiben. Diese Verbindungen haben alle Kennzeichen, kleine Boten zu sein, die von Pflanzen maßgeschneidert werden, um wichtige Verteidigungskontrollzentren einzuschalten. Die Nutzung dieser Erkenntnisse könnte es Wissenschaftlern und Pflanzenzüchtern ermöglichen, Moleküle zu entwickeln, die Pflanzen, einschließlich vieler wichtiger Nutzpflanzenarten, widerstandsfähiger gegen Krankheiten machen.

Die weltweite Nahrungsmittelproduktion muss sich bis 2050 verdoppeln, um die bis dahin erwarteten zusätzlichen 2 Milliarden Menschen auf der Erde zu ernähren. Die Steigerung der Nahrungsmittelproduktion erfordert Ertragssteigerungen bei vielen unserer Grundnahrungsmittel. Dazu müssen Strategien vorhanden sein, die sicherstellen, dass wir Pflanzen widerstandsfähiger gegen mikroskopisch kleine Infektionserreger machen und gleichzeitig sicherstellen, dass die Lebensmittelproduktion umweltverträglich ist. Um dies zu erreichen, ist wiederum ein detailliertes Verständnis des pflanzlichen Immunsystems erforderlich – der Abwehrkräfte, die Pflanzen aufbauen, wenn sie mit eindringenden Mikroorganismen konfrontiert werden.

Jetzt haben Wissenschaftler unter der Leitung von Jijie Chai und Jane Parker vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und der Universität zu Köln, Deutschland, in zwei Studien mit der Gruppe von Junbiao Chang an der Zhengzhou University in Zhengzhou und Zhifu Han und Kollegen in Tsinghua zusammengearbeitet Universität in Peking, China, haben zwei Klassen von Molekülen identifiziert und ihre Wirkungsweise bei der Vermittlung von Immunantworten in Pflanzenzellen bestimmt. Ihre Erkenntnisse ebnen den Weg für das Design bioaktiver kleiner Moleküle, die es Forschern und Pflanzenzüchtern ermöglichen könnten, die Pflanzenresistenz gegen schädliche Mikroben zu manipulieren – und dadurch zu stärken.

Auf molekularer Ebene sind Proteine, die als Nukleotid-bindende Leucin-reiche Wiederholungsrezeptoren oder kurz NLRs bezeichnet werden, eine Hauptimmunstrategie von Pflanzen. NLRs werden durch eindringende Mikroorganismen aktiviert und setzen schützende Immunantworten in Gang. Diese Immunantworten gipfeln in der sogenannten Überempfindlichkeitsreaktion, die eine Einschränkung des Erregerwachstums und oft einen streng abgegrenzten Zelltod an der Infektionsstelle beinhaltet – ähnlich der Amputation eines Zehs, um das Überleben des Körpers zu sichern.

Es wurde gezeigt, dass eine Klasse von NLR-Proteinen, solche mit sogenannten Toll/Interleukin-1-Rezeptor(TIR)-Domänen, die als TIR-NLRs (oder TNLs) bezeichnet werden, Signale an das nachgeschaltete Immunprotein Enhanced Disease Susceptibility 1 (EDS1 ). Kleinere TIR-enthaltende Proteine ​​speisen auch Signale in EDS1 ein, um die Krankheitsresistenz zu potenzieren. EDS1 fungiert als Kontrollzentrum, das, abhängig von der Art anderer Proteine, mit denen es interagiert, Pflanzenzellen dazu bringt, das Wachstum von Krankheitserregern einzuschränken oder den Zelltod zu begehen. Frühere Arbeiten zeigten, dass TNL-Rezeptoren und TIR-Proteine ​​tatsächlich pathogeninduzierte Enzyme sind. Es gibt Hinweise darauf, dass diese TIR-Enzyme einen oder mehrere kleine Botenstoffe produzieren, die EDS1 in den Zellen signalisieren. Die Identität der genauen Moleküle, die von TNLs oder TIRs erzeugt werden, die die verschiedenen Immunantworten stimulieren, blieb jedoch schwer fassbar.

Parker und Kollegen stellten fest, dass die beiden funktionellen EDS1-Module, die zu Immunität oder Zelltod führen, durch Pathogen-aktivierte TNL-Enzyme in Pflanzenzellen ausgelöst werden können. Um die kleinen Moleküle zu identifizieren, die von TNLs oder TIRs produziert werden und auf EDS1 einwirken, rekonstituierte die Chai-Gruppe Schlüsselkomponenten des Signalwegs in Insektenzellen, ein System, das die Produktion und Reinigung großer Mengen von Molekülen ermöglicht, die dann isoliert und charakterisiert werden können. Unter Verwendung dieses Ansatzes entdeckten die Autoren zwei verschiedene Klassen modifizierter Nukleotidmoleküle, die von TNLs und TIRs produziert werden. Diese Verbindungen banden bevorzugt an und aktivierten verschiedene EDS1-Unterkomplexe. Daher zeigen die Autoren, dass verschiedene EDS1-Subkomplexe bestimmte TIR-produzierte Moleküle erkennen, die als informationstragende Chemikalien fungieren, um Immunantworten zu fördern.

Die TIR-Immunrezeptoren und EDS1-Hub-Proteine ​​kommen in vielen wichtigen Nutzpflanzenarten wie Reis und Weizen vor, und Jijie Chai weist darauf hin, dass „die identifizierten TIR-katalysierten kleinen Moleküle als allgemeine und natürliche Immunstimulanzien zur Bekämpfung von Nutzpflanzenkrankheiten eingesetzt werden könnten“. Jane Parker bemerkt weiter, dass „das Wissen um die biochemischen Wirkungsweisen dieser kleinen Moleküle ein ganz neues Kapitel über Pflanzenimmunitätssignale und Krankheitsmanagement aufschlägt“.