Rezeptorstrukturen an der Schnittstelle zwischen Pflanzen und Mikroben

Die unabhängige Forschungsgruppe um Dr. Alexander Förderer konzentriert sich auf die Bestimmung der Proteinstruktur von pflanzlichen Rezeptoren, die Reaktionen auf Mikroorganismen in der Umwelt überwachen und vermitteln. Die Gruppe verwendet verschiedene Expressionssysteme (z.B. Insektenzellen, Bakterien, Tabak) für die rekombinante Proteinexpression und nutzt die Kryo-EM-Technologie zur Proteinstrukturbestimmung. Die gewonnenen Erkenntnisse werden im Lichte der Proteinstrukturevolution in Pflanzen betrachtet und für die strukturgeleitete Nutzpflanzenoptimierung eingesetzt. Die Forschungsgruppe, die zum Teil ein Proteinstrukturlabor und zum Teil ein Labor für Pflanzengenetik/Funktionsbiologie ist, verwendet eine Vielzahl von Pflanzenmodellen (z. B. Reis, Weizen, Kartoffel, Sojabohne), um molekulare Mechanismen im biologischen Kontext zu verstehen.
 

Herausforderungen im Bereich der Ernährungssicherheit

Die Ernährungssicherheit hängt von der Fähigkeit ab, die Leistung von Nutzpflanzen angesichts des Klimawandels zu maximieren, was eine verbesserte Resistenz gegen den zunehmenden Druck durch Krankheitserreger und höhere Erträge bei gleichzeitiger Schonung der Ressourcen erfordert. Die genetische Manipulation des Erkennens von Mikroorganismen und der anschließenden zellulären Reaktionen hat das Potenzial, den Einsatz von Pestiziden zur Krankheitsbekämpfung zu verringern und die Abhängigkeit von stickstoff- und phosphathaltigen Kunstdüngern zur Pflanzenernährung zu reduzieren. Mit Fortschritten in der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) und modernisierten Reinigungsmethoden sind Proteinkomplexe höherer Ordnung, an denen mikrobielle Komponenten und Wirtsrezeptoren beteiligt sind, für Untersuchungen zugänglich geworden. Unser Team steht bei diesen Durchbrüchen an vorderster Front und ebnet den Weg für die rationale Optimierung von Pflanzenreaktionen auf Mikroben durch Rezeptor-Engineering und Gen-Editierung, um Nutzpflanzen besser für die durch den Klimawandel bedingten Veränderungen in der Landwirtschaft zu rüsten.

Die Leistungsfähigkeit der Kryo-Elektronenmikroskopie

Die Kryo-EM hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Durchbrüche erzielt und Einblicke in die Strukturen anspruchsvoller biologischer Ziele wie pflanzlicher Immunrezeptoren auf atomarer Ebene ermöglicht. Diese so genannte "resolution revolution" der Kryo-EM wurde durch die Entwicklung direkter Elektronendetektoren, die Einzelpartikelanalyse (SPA), die Steigerung der Rechenleistung und die gezielte Neugestaltung der Mikroskoptechnologie vorangetrieben. Sie hat den Anwendungsbereich der Strukturbiologie erweitert und neue Wege für das Verständnis komplexer biologischer Prozesse und die Entwicklung gezielter Therapeutika für den Menschen eröffnet. So wurden beispielsweise neue Medikamente und Impfstoffe auf der Grundlage der Kenntnis der Proteinstruktur des SARS-CoV-2-Spike-Proteins und seiner natürlichen Varianten entwickelt. Das Team lässt sich von der Rolle der Strukturbiologie in der Medizin inspirieren und kombiniert Gen-Editing von Nutzpflanzen, funktionelle Biologie (Genetik), Analyse natürlicher Variationen und Verständnis der Evolutionsgeschichte, um das gesamte Potenzial der Strukturbiologie bei Pflanzen für die Verbesserung von Nutzpflanzen zu erschließen.

Erschließung des Potenzials von Pflanzen-Mikroben-Interaktionen

Die Vielfalt der pflanzlichen Rezeptoren, die das Vorhandensein von nützlichen oder schädlichen Mikroben in ihrer Umgebung überwachen, ist atemberaubend. Evolutionäre Prozesse haben ein Repertoire an Rezeptoren hervorgebracht, das in der Pflanzenwelt stark diversifiziert und erweitert ist. Pflanzliche Immunrezeptoren, insbesondere intrazelluläre nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR)-Immunrezeptoren und pattern-recognition receptors (PRRs) an der Zelloberfläche, spielen eine entscheidende Rolle bei der Abwehr schädlicher Krankheitserreger (z. B. Pilze, Bakterien, Viren) und bei der Vermittlung symbiotischer Interaktionen mit Mikroben (z. B. Wurzelknöllchen, arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiosen).

Das andauernde koevolutive Wettrüsten zwischen Pflanzen und ihren Krankheitserregern hat dazu geführt, dass die NLRs zu einer der größten Genfamilien in der Pflanzenwelt geworden sind und einige der polymorphsten Gene in Pflanzengenomen enthalten. Ein großer Teil dieser bedeutenden Sequenzvielfalt und Kopienzahlvariation ist in Allelreihen sowohl im NLRom der Pflanzen als auch im Effektor-Repertoire der Krankheitserreger enthalten. Ohne strukturelle Informationen über die NLRs im Komplex mit ihrem kognitiven Liganden bleibt die molekulare Grundlage dieser allelischen Variation jedoch ungeklärt und für die gezielte Gestaltung von Rezeptoren zur Verbesserung von Pflanzen unzugänglich. Die Gruppe hat sich zum Ziel gesetzt, die allelische Variation von NLR-Effektor-Paaren nutzbar zu machen, insbesondere bei Nutzpflanzen wie Weizen, Reis, Kartoffeln und Paprika.

Der evolutionäre Werdegang von Rezeptoren und Signalmodulen, die an der Wurzelknöllchen- und arbuskulären Mykorrhiza-Symbiose beteiligt sind (RNS und AMS), steht im Gegensatz zum evolutionären Werdegang der NLRs. Die Entwicklung der arbuskulären Mykorrhiza ist eine frühe evolutionäre Innovation der Landpflanzen, und die beteiligten Rezeptoren und Signalmodule sind in der Regel in ihrer Kopienzahl konserviert und haben relativ wenige Aminosäure-Polymorphismen akkumuliert. Es hat sich gezeigt, dass mehrere pflanzliche Komponenten, die AMS vermitteln, während der Evolution der RNS umgewidmet wurden, was nur an der Basis von vier Pflanzengruppen geschah, am bekanntesten bei den Fabales. Die molekulare Grundlage dieses Wechsels von AMS zu RNS ist jedoch unklar und wird wahrscheinlich durch eine gruppenspezifische Anpassung von gemeinsamen Symbioseproteinen kodiert. Die Förderer-Gruppe möchte die molekularen Grundlagen der symbiotischen Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben in einem evolutionären Kontext aufklären. Das Verständnis der atomaren Mechanismen, mit denen Pflanzen Mikroben erkennen und auf sie reagieren, ist von entscheidender Bedeutung für die rationale Gestaltung dieser Reaktionen in Nutzpflanzen, wie z. B. die symbiotische Effizienz in Reis, Sojabohnen und dem Modell Lotus japonicus.

 

Ausgewählte Publikationen

• Förderer, A., Li, E., Lawson, A. W., Deng, Y. N., Sun, Y., Logemann, E., ... & Chai, J. (2022). A wheat resistosome defines common principles of immune receptor channels. Nature, 610(7932), 532-539. Related secondary literature: Outram, M. A., & Dodds, P. N. (2022). Wheeling in a new era in plant immunity. Nature Plants, 1-2.
• Förderer, A., & Kourelis, J. (2023). NLR immune receptors: structure and function in plant disease resistance. Biochemical Society Transactions.
• Förderer, A., & Chai, J. (2023). Die another day: phytosulfokine at the molecular trade‐off between growth and defense in plants. The EMBO Journal, 42(6), e113540.
• Förderer, A., Yu, D., Li, E., & Chai, J. (2022). Resistosomes at the interface of pathogens and plants. Current Opinion in Plant Biology, 67, 102212.
• Song, W., Förderer, A., Yu, D., & Chai, J. (2021). Structural biology of plant defence. New Phytologist, 229(2), 692-711.