Strukturen af ​​hvedeimmunprotein løst – vigtigt værktøj i kampen for fødevaresikkerhed

Forskere fra Max Planck Institute for Plant Breeding Research og University of Cologne i Tyskland har sammen med kolleger fra Kina afsløret, hvordan hvede beskytter sig mod et dødeligt patogen. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Nature , kunne udnyttes til at gøre vigtige afgrødearter mere modstandsdygtige over for sygdomme.

Som basisfødevare for 40 % af verdens befolkning er det svært at overvurdere hvedens betydning for fødevaresikkerheden.

Afgrødens modstandsdygtighed i et skiftende klima og modstandsdygtighed over for infektionssygdomme vil være de begrænsende faktorer for fremtidig fødevarestabilitet. Hvad angår hvede, er en af ​​de økonomisk mest betydningsfulde patogener stilkrust, en ond svamp, som kan have ødelæggende virkninger på udbyttet.

Selvom stængelrust har inficeret hvede siden før-kristen tid, havde det gennem indsats fra forædlere og plantepatologer været muligt at forhindre væsentlige epidemier i verdens største hvededyrkningsområder i de sidste 50 år af det 20. ^th århundrede. Desværre blev dette rosenrøde billede knust i 1998, med fremkomsten af ​​en ny, meget virulent variant af hvedestammerust i Uganda.

Ug99, som det er kendt, kan angribe op til 80 % af verdens hvedesorter, hvilket i nogle tilfælde resulterer i fuldstændigt tab af udbytte fra inficerede marker. I deres forsøg på at give afgrøder resistens mod nye og nye plantepatogener, gennemsøger planteforskere og forædlere ofte vilde sorter af nogle af vores basisafgrøder for gener, der kan give effektiv immunitet. Fremkomsten af ​​Ug99 satte særlig skub i sådanne bestræbelser og førte til identifikation af Sr35, et gen, der beskytter mod Ug99, når det introduceres i brødhvede.

Nu har forskere ledet af Jijie Chai og Paul Schulze-Lefert fra University of Cologne og Max Planck Institute for Plant Breeding Research i Köln, Tyskland, og Yuhang Chen fra Chinese Academy of Sciences, Kina, afkodet strukturen af ​​Sr35 hvedeprotein. Dette gav dem mulighed for at forklare, hvordan Sr35 beskytter Einkorn-hvede mod Ug99.

Sr35 er et eksempel på en nukleotid-bindende leucin-rig gentagelse (NLR) receptor inde i planteceller, der detekterer tilstedeværelsen af ​​invaderende patogener. NLR-aktivering udløses af genkendelsen af ​​patogene "effektorer", små proteiner, der leveres til planteceller ved at invadere mikroorganismer for at svække planten. Hver NLR binder sig typisk til én type effektor.

Når Sr35 aktiveres, samles fem receptorer sammen til et stort proteinkompleks, som forskerne kalder "Sr35-resistosomet". Sådanne resistosomer har evnen til at fungere som kanaler i plantecellemembranen. Denne kanalaktivitet sætter kraftfulde immunreaktioner i gang, der kulminerer i plantecellernes selvmord på infektionsstedet som en slags selvopofrelse for at beskytte resten af ​​planten.

I denne undersøgelse lykkedes det for første gang forskerne at løse strukturen og beskrive immunfunktionen af ​​et resistosom fra en afgrødeart.

Forskerne begyndte med at syntetisere både Sr35 og dens tilsvarende Ug99-effektor i insektceller, en strategi, der gjorde det muligt for dem at isolere og oprense store mængder af Sr35-resistosomer, og brugte kryogen elektronmikroskopi, en teknik, hvor prøverne fryses til kryogene temperaturer, hvilket muliggør bestemmelse af biomolekylære strukturer ved atomopløsning.

Alexander Förderer, der stod i spidsen for undersøgelsen, siger:"I strukturen af ​​Sr35 kunne vi identificere de dele af proteinet, der er vigtige for Ug99 effektorgenkendelse. Med denne indsigt håber jeg, at vi kan generere nye NLR'er, der kan anvendes i marken at beskytte elite hvedesorter mod Ug99 og på denne måde bidrage til global fødevaresikkerhed."

Bevæbnet med deres viden om strukturen af ​​Sr35-resistosomet gik Alexander Förderer og hans medforfattere Ertong Li og Aaron W. Lawson i gang med at afgøre, om de nu kunne genbruge ikke-funktionelle receptorer af modtagelige elitesorter af byg og hvede for at genkende Ug99 effektor. De steg på to proteiner, der, selvom de ligner Sr35, ikke genkender Ug99. Da de byttede elementer fra Sr35 ind, der vides at kontakte Ug99-effektoren, kunne forskerne omdanne disse proteiner til receptorer for Ug99-effektoren.

Ifølge Paul Schulze-Lefert, "Dette studie illustrerer også, hvordan naturen har brugt et fælles designprincip til at opbygge immunreceptorer. Samtidig har disse receptorer udviklet sig på en sådan måde, at de har bevaret fleksibiliteten til at generere nye receptorvarianter, der kan give immunitet over for andre mikrobielle patogener såsom vira, bakterier eller nematoder."

Jijie Chai påpeger, at indsigten opnået i denne undersøgelse "åbner muligheden for at forbedre afgrøderesistens ved at udvikle planteresistensproteiner, der genkender en række forskellige patogeneffektorer." + Udforsk yderligere

Nye kromosomtekniske materialer giver modstand mod Ug99 for hvedeavlere