Ernteerträge mit atomarer Präzision gestalten

Pflanzliche Immunität – wichtig für eine gute Ernte

Wie wir Menschen, so leben auch Pflanzen in enger Verbindung mit Mikroben, jedoch mit einem grundlegenden Unterschied: Pflanzen verlassen sich fast ausschließlich auf genetisch kodierte statt auf adaptive Immunität. Menschen können während einer Infektion hochspezifische Antikörper bilden. Pflanzen müssen sich jedoch auf ein festes, aber erstaunlich vielfältiges Repertoire an Immunrezeptoren verlassen, das direkt in ihrem Genom verankert ist. Die weltweite Nahrungsmittelproduktion hängt entscheidend von den Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben ab: Diese können förderlich sein, etwa in symbiotischen Beziehungen, aber auch verheerend, wenn pathogene Mikroben dominieren. Vor gut einem Jahrhundert wurde der Ackerbau immer wieder durch Epidemien beeinträchtigt, wie durch Rostkrankheiten am Getreide oder durch die Kartoffelfäule, die von 1845 bis 1852 zur großen Hungersnot in Irland führte. Unsere moderne Landwirtschaft mindert solche Risiken inzwischen durch resistente Sorten, gezielte Anbaustrategien und den Einsatz von Agrochemikalien. Das Potenzial vorteilhafter Mikroben-Wechselwirkungen zur Steigerung von Ertrag und Resilienz bleibt jedoch bislang weitgehend unangetastet.

Die Forschungsgruppe „Rezeptorstrukturen an der Schnittstelle zwischen Pflanzen und Mikroben“ arbeitet an einer Wissensdatenbank für die Genom-Editierung von Nutzpflanzen mit Basenpaar-Präzision. Statt der langsamen und oft ungenauen Methoden der traditionellen Züchtung entwickeln wir Verfahren für minimale, exakt definierte genetische Veränderungen, die natürlich vorkommende Variationen gezielt nachahmen. Dadurch ließe sich die Züchtungsdauer drastisch verkürzen und zugleich das Spektrum nutzbarer Merkmale erweitern. In Kombination mit neuen Erkenntnissen über die Wechselwirkungen von Pflanzen mit nützlichen und schädlichen Mikroorganismen weist diese Forschung den Weg zu intelligenteren und nachhaltigeren Formen der Nahrungsmittelproduktion.

Pflanzenrezeptoren als Schlüssel der Mikrobenerkennung

Wir konzentrieren uns auf pflanzliche Rezeptorproteine, die mikrobielle Moleküle erkennen und passende Reaktionen auslösen. Pflanzen besitzen Abertausende solcher Rezeptoren. Bei manchen Arten ist ihre Vielfalt sogar größer als die der Geruchsrezeptoren in der menschlichen Nase. Bestimmte Rezeptoren ermöglichen es Pflanzen, starke Immunreaktionen gegen Krankheitserreger auszulösen oder umgekehrt die Besiedlung durch symbiotische Mikroben zuzulassen.

Beim Menschen kann schon der Austausch einer einzelnen Aminosäure darüber entscheiden, ob ein Antikörper ein bestimmtes Antigen erkennt. Pflanzen nutzen ein ähnliches Prinzip: Kleine Veränderungen einzelner Aminosäuren in Rezeptorproteinen können bestimmen, ob eine Pflanze einen Krankheitserreger erkennt, ihn ignoriert oder einen symbiotischen Partner fälschlicherweise als Bedrohung wahrnimmt. Indem wir diese natürliche Vielfalt kartieren und verstehen, warum manche Varianten funktionieren und andere nicht, können wir die pflanzliche Immunität gezielt verbessern und so nachhaltig gesunde Ernten fördern.

Komplexe Signalnetzwerke der Symbiose

Neben Pflanzenkrankheiten untersuchen wir auch die vielschichtigen Signalkaskaden, die es Pflanzen ermöglichen, nützliche Symbiosen zu starten und aufrechtzuerhalten, etwa stickstofffixierende Wechselwirkungen mit Bodenbakterien. Diese Signalwege bestehen aus vielen molekularen Komponenten, die in einer Abfolge von Schritten zusammenwirken: Die Pflanze erkennt Signale, verstärkt sie und passt ihre Genaktivität koordiniert an.

Während die genetischen Bestandteile dieser Prozesse vergleichsweise gut katalogisiert sind, fehlen bislang weitgehend hochauflösende Strukturen der Proteine, die diese Aufgaben ausführen und koordinieren. Diese Lücke begrenzt unser mechanistisches Verständnis. Wir wissen, welche Gene notwendig sind, aber nicht genau, wie ihre Proteinprodukte auf atomarer Ebene zusammenwirken, um verschiedene Signale zu integrieren und die Entscheidung für Besiedlung und Nährstoffaustausch zu steuern. Unsere Gruppe schließt diese Lücke, indem wir die Strukturen zentraler Rezeptorkomplexe und Signalmodule aufklären und so die vorhandenen genetischen Karten mit molekularen Mechanismen verknüpfen.

Einblicke auf atomarer Ebene durch Kryo-EM

Um zu verstehen, wie minimale Sequenzunterschiede die Spezifität von Rezeptoren beeinflussen, nutzen wir die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Diese Methode erlaubt es, Proteinstrukturen mit nahezu atomarer Auflösung sichtbar zu machen. Tausende einzelner Molekülaufnahmen werden rechnergestützt zu detaillierten dreidimensionalen Modellen zusammengesetzt, die genau zeigen, welche Atome für die Erkennung entscheidend sind (Abb. 1).

Diese strukturellen Erkenntnisse machen es möglich, die wenigen Aminosäuren zu identifizieren, die die Erkennungsfunktion eines Rezeptors bestimmen. Dadurch werden gezielte Züchtungs- und Geneditierungsstrategien möglich, bei denen sich die Zahl potenzieller Ansatzpunkte von Hunderten auf nur wenige reduziert - ein entscheidender Schritt hin zu Nutzpflanzen, die optimal auf Krankheitserreger ebenso wie auf nützliche Mikroben reagieren.