Pflanzenforschung Gerste und Co. vor Pilzkrankheiten schützen

Was im Film Interstellar das Ende der Menschheit einläutet, ist auch real eine Gefahr: Mehltau. Die Pilzkrankheit verursacht bei Gerste Ernteeinbußen von bis zu 40 Prozent. Nun haben Forscher gezeigt, wie sich die natürliche Resistenz des Getreides durch Gen-Editierung verbessern lässt.

Die Menschheit steht vor ihrem Untergang: Neben gewaltigen Staubstürmen, die mitten am Tag ganze Städte verdunkeln, ist die Landwirtschaft am Ende. Denn Mais ist die letzte Kulturpflanze, die noch auf den weitläufigen Ackerflächen gedeiht – doch auch hier ist es nur eine Frage der Zeit, bis sie dem so genannten Mehltau zum Opfer fällt und damit das Hunger-Schicksal der Welt besiegelt. Dieses düstere Zukunftsszenario zeichnet Christopher Nolan in seinem Science-Fiction-Film Interstellar. Dort verlassen die Protagonisten die Erde, um sich im Weltall eine neue Heimat zu suchen.

In der echten Welt muss es so weit hoffentlich nicht kommen. Dabei ist Mehltau tatsächlich ein reales Problem. Die weit verbreitete Pilzkrankheit befällt Gerste in gemäßigten Klimazonen wie in weiten Teilen Europas und kann zu Ernteverlusten von bis zu 40 Prozent führen.

Doch bereits die Pflanze selbst rüstet sich gegen diese Gefahr. Zum Schutz vor Mehltau hat sie im Laufe der Evolution eine Vielzahl von Immunrezeptoren entwickelt. Diese Rezeptoren erkennen hochspezifisch jeweils ein Mehltauprotein, auch Effektor genannt, das nur in einem Stamm einer genetisch vielfältigen Mehltaupopulation vorkommt. Baupläne für diese Immunrezeptoren sind Resistenzgene der Pflanze, die seit Jahrzehnten von Pflanzenzüchtern in Zuchtprogrammen aus Wildformen in Nutzpflanzen eingekreuzt werden.

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Baupläne für widerstandsfähiges Getreide

Wie die Immunität gegen Mehltau in den Proteinen der Gerste verschlüsselt ist, hat nun ein Team des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) untersucht. Die Ergebnisse aus der Studie könnten Wissenschaftlern dabei helfen, Gerste und verwandte Arten wie Weizen widerstandsfähiger gegen diese Krankheit zu machen.

Für die Strukturaufklärung des entscheidenden Immunrezeptors nutzten die Forscher die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Dabei werden Proben rasch auf kryogene Temperaturen tiefgekühlt, um die filigranen Strukturen der Proteine mit ihrer natürlichen Faltung zu erhalten. Die abgeleitete Struktur mit atomarer Auflösung zeigt, wie der Immunrezeptor MLA13 der Pflanze und der korrespondierende Pilz-Effektor AVR_A13-1 sich fest aneinanderlagern und welche Struktur der Pilz-Effektor dabei annimmt.

Komplexe Wechselwirkungen untersucht

Diese Ergebnisse ermöglichten es dem Erstautor Aaron W. Lawson, eine synthetische Version eines anderen Immunrezeptors, MLA7, zu entwickeln, der einen Pilz-Effektor namens AVR_A7 erkennt. Die Sequenzen der MLA-Immunrezeptoren sind sich sehr ähnlich, auch die von dem nachgebauten Rezeptor MLA7 und dem natürlichen Rezeptor MLA13. Lawson und seine Koautoren fragten sich daher, ob sie die Struktur des natürlich vorkommenden Rezeptor-Effektor-Komplexes der Gerste (MLA13-AVR_A13-1) nutzen könnten, um die Erkennungsspezifität von MLA7 zu verändern. Tatsächlich gelang es den Autoren, durch die Veränderung einer einzigen Aminosäure in der Proteinsequenz von MLA7 eine neue Version von MLA7 zu entwickeln, die nun AVR_A13-1 erkennt, aber weiterhin auch AVR_A7.

In der Pflanzenzüchtung sind traditionell zeitaufwändige Kreuzungen notwendig, um Pflanzen mit der gewünschten Kombination von Eigenschaften zu erzielen. Der Pilz, der den Echten Mehltau der Gerste verursacht, kann sich jedoch innerhalb einer Woche mit einer Vielzahl von Nachkommen vermehren, sodass in der Natur rasch neue Pilzstämme mit veränderten Effektoren entstehen. Herkömmliche Methoden der Pflanzenzüchtung können mit dem Auftreten virulenter Varianten des Pilzerregers nicht Schritt halten.

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Mit Gen-Editierung die Stellschrauben der Gerste justieren

Die Ergebnisse der Studie zeigen, wie Immunrezeptoren gezielt verändert werden können, um ihre Spezifität zu verändern oder zu erweitern. Die Kenntnis dieser Proteinstrukturen ermöglicht es, die genetischen Baupläne dieser Rezeptoren durch Gen-Editierung so zu verändern, dass die Gerste gegen mehrere Mehltaustämme geschützt ist.

Die Gene, die für MLA-Immunrezeptoren kodieren, stammen von einem gemeinsamen Vorfahren, zu dem auch die verwandten Gräser Gerste, Weizen, Hafer und Roggen gehören. Diese Gene kommen in jeder dieser Getreidearten vor. Da MLA-Immunrezeptoren auch gegen andere weit verbreitete Pilzerreger wie Rostpilze und Reisbräune schützen können, haben geneditierte Resistenzgene das Potenzial, als Blaupause für breit wirksame MLA-Rezeptoren zu dienen. Damit könnten diese Grundnahrungsmittel widerstandfähiger gegen eine Vielzahl wirtschaftlich bedeutender Krankheiten werden – und dystopische Zukunftsszenarien wie die im Film Interstellar würden weiterhin Science Fiction bleiben.

Originalpublikation: Aaron W. Lawson, Andrea Flores-Ibarra, Yu Cao, Chunpeng An, Ulla Neumann, Monika Gunkel, Isabel M. L. Saur, Jijie Chai, Elmar Behrmann, Paul Schulze-Lefert: The barley MLA13-AVRA13 heterodimer reveals principles for immunoreceptor recognition of RNase-like powdery mildew effectors., EMBO Journal 2025; DOI: 10.1038/s44318-025-00373-9

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