Pflanzenrezeptoren, die Immunität und Entwicklung steuern, haben laut Studie einen gemeinsamen Ursprung

Pflanzen entwickeln ständig neue Immunrezeptoren für sich ständig verändernde Krankheitserreger. Forscher am RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) haben den Ursprung und die Evolutionsgeschichte pflanzlicher Immunrezeptoren verfolgt. Ihre Entdeckung wird es einfacher machen, Immunrezeptorgene anhand genomischer Informationen zu identifizieren und könnte bei der Entwicklung pathogenresistenter Nutzpflanzen helfen. Diese Studie ist veröffentlicht in Naturkommunikation.

Wie bei Tieren verfügen Pflanzen über Immunreaktionen, die ihnen helfen, sich gegen Krankheitserreger wie Viren, Bakterien, Pilze und Oomyceten zu verteidigen. Bevor Eindringlinge gestoppt werden können, müssen sie zunächst entdeckt werden. Dies geschieht durch Mustererkennungsrezeptoren, die sich auf der Oberfläche von Pflanzenzellen befinden. Die Fähigkeit dieser Rezeptoren, mit Krankheitserregern verbundene molekulare Muster zu erkennen, hängt von zwei Arten von Proteinen ab, den sogenannten RLPs und RLKs, die beide Leucin-reiche Wiederholungen enthalten können – Abschnitte, in denen die Aminosäure Leucin mehrfach vorkommt.

Um die Entwicklung der pflanzlichen Immunität zu verfolgen, untersuchte das internationale Forschungsteam unter der Leitung von Ken Shirasu und Yasuhiro Kadota am RIKEN CSRS die Anzahl und Muster der Rezeptoren. Sie analysierten über 170.000 Gene, die RLKs kodieren, und etwa 40.000 Gene, die RLPs kodierten, die sie aus öffentlich zugänglichen Daten von 350 Pflanzenarten erhielten. Sie fanden heraus, dass RLKs und RLPs mit Leucin-reichen Wiederholungen die am häufigsten vorkommenden Rezeptortypen unter allen Pflanzenarten waren und fast die Hälfte der RLKs und 70 % der RLPs ausmachten.

Es ist bekannt, dass RLPs und einige RLKs eine spezielle Inselregion enthalten, die für die Erkennung von Teilen von Krankheitserregern von entscheidender Bedeutung ist. Untersuchungen des RIKEN CSRS-Teams ergaben, dass sich diese spezielle Region bei RLPs, die die Leucin-reichen Wiederholungen enthalten, fast immer an derselben Stelle befand; zwischen der 4. und 5. leucinreichen Wiederholung. Es wurde festgestellt, dass diese RLPs mit Immunreaktionen verbunden sind. Das Team entdeckte außerdem, dass sich die Inselregion in einigen RLKs an derselben Position befand, von denen fast alle zu einer funktionellen Gruppe gehören, die Wachstum und Entwicklung reguliert.

Eine vergleichende Analyse zeigte, dass die Sequenz der vier Wiederholungen unterhalb der Inselregion zwischen den beiden Arten von Proteindetektoren sehr ähnlich war, was darauf hindeutet, dass sie eine gemeinsame evolutionäre Abstammung haben. Insbesondere enthielten diese vier Sätze von Leucin-Wiederholungen Abschnitte, die für die Bindung an denselben Co-Rezeptor namens BAK1 erforderlich waren. Dies bedeutet, dass immunitätsbezogene RLPs und wachstumsbezogene RLKs die Fähigkeit, BAK1 zu binden, von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt haben.

„Interessanterweise fanden wir heraus, dass der Austausch der vier Regionen leucinreicher Wiederholungen zwischen diesen Rezeptoren ihre Funktionalität nicht beeinträchtigte“, sagt Bruno Pok Man Ngou, der die Studie durchführte. Die Schaffung eines Hybridrezeptors durch die Kombination eines wachstumsbezogenen RLK mit einem immunbezogenen RLP führte zu einem Hybridrezeptor, der Krankheitserreger erkannte und sowohl Immun- als auch wachstumsbezogene Reaktionen auslöste. Das bedeutet, dass Wissenschaftler in der Lage sein sollten, Rezeptoren mit neuen Funktionen zu entwickeln, indem sie diese Module austauschen.

Diese Studie befasste sich mit den Ursprüngen der Pflanzenimmunität auf molekularer Ebene und zeigte, dass die gleichzeitige Analyse von Informationen aus mehreren Pflanzengenomen eine einfache und präzise Vorhersage der Gene ermöglichen kann, die an der Pflanzenimmunität und dem Pflanzenwachstum beteiligt sind.

„Wir isolieren derzeit anhand dieser Informationen Immunrezeptoren aus verschiedenen Pflanzen und streben in Zukunft praktische Anwendungen wie die Entwicklung krankheitsresistenter Nutzpflanzen an“, sagt Shirasu.