Mechanismen der durch Dirigent/Jacalin-Proteinpaare hervorgerufenen Breitspektrumresistenz in Pflanzen gegen pilzliche Pathogene

• Antragsteller: Dr. Thomas Classen; Professor Dr. Ulrich Schaffrath
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie ; Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 369034981

Fusionsproteine, die aus einer Dirigent- und einer Jacalin-ähnlichen Lektindomäne (JRL) bestehen, kommen nur in der Familie der Poaceae vor. Die Gruppe von Ulrich Schaffrath hat gezeigt, dass eine konstitutive Expression verschiedener Mitglieder dieser Familie zu einer Breitspektrumresistenz gegen verschiedene Pathogene, wie Oomyceten, Bakterien und Pilzen, führt. Wird die JRL-Domäne künstlich separiert, so relokalisiert das rekombinante Protein bei Expression in Gerste zur Penetrationsstelle des Echten Mehltaupilzes. Werden beide Proteindomänen separiert und dann gleichzeitig in diesem Ansatz exprimiert, so lokalisieren beide Domänen an den Penetrationsort. Die Resistenz der Gerste wird nur bei gleichzeitiger Anwesenheit dieser beiden Proteine erhöht.Basierend auf diesen Ergebnissen haben wir folgende Hypothese aufgestellt: i) JRL- und Dirigentproteine sind Teil eines ursprünglichen 2-Komponenten Systems in der Pflanzenresistenz, bei der die erste Komponente in der Pathogenerkennung und die Zweite in der Abwehr eine Rolle spielt. Fusionsproteine, die aus beiden Komponenten bestehen, sind eine jüngere Erfindung der Poaceae-Arten. Wir werden diese Hypotehese prüfen, indem folgende Fragen beantwortet werden sollen: i) wie sieht der Kohlehydratbindungspartner der JRL-Domäne aus, ii) an der Bildung welchen antimikrobiell wirksamen Stoffes ist die Dirigentdomäne beteiligt und iii) existieren Paare von JRL- und Dirigentproteinen in anderen Pflanzenarten, die ähnlich dem hier vorgeschlagenen Mechanismus wirken. Die Identifizierung des JRL-Bindungspartners und die Charakterisierung der Dirigent-vermittelten Reaktion werden im Rahmen dieses Projektes von der Gruppe von Thomas Classen, einem Biochemiker, durchgeführt. Diese Arbeiten schließen die Synthese und Isolation rekombinanter Proteine und deren Kristallographie ebenso wie pull-down Experimente mit Kohlehydratpräparationen des Pilzes und der Pflanzen ein.Ferner wird Arabidopsis als Modellpflanze verwendet, umPaare freier JRL- und Dirigentproteine zu identifizieren, die während der Pathogenabwehr in ähnlicher Weise wirken wie die oben erwähnten Fusionsproteine. Mithilfe von bioinformatischen Analysen konnten wir bereits ein vielversprechendes Kandidatengenpaar identifizieren, welches auf Chromosom 1 in direkter Nachbarschaft lokalisiert vorliegt. Der Einfluss der Expression dieses Proteinpaars und anderer Kandidaten auf die Resistenz der Gerste gegen den Echten Mehltau wird geprüft. Vielversprechende Kandidaten werden genutzt, um ein artifizielles Fusionsprotein herzustellen. Falls dieses ebenfalls eine Breitspektrumresistenz bewirken würde, dann könnte diese Strategie in dikotylen Nutzpflanzen genutzt werden, um eine erhöhte Stressresistenz zu erzielen.Die komplementären Expertisen der Gruppen von Schaffrath und Classen in molekularer Phytopathologie und Biochemie bilden das solide Fundament zur erfolgreichen Umsetzung des beantragen Projekts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen