Wetenschappers van het Max Planck Institute for Plant Breeding Research en de Universiteit van Keulen in Duitsland hebben samen met collega's uit China ontrafeld hoe tarwe zichzelf beschermt tegen een dodelijke ziekteverwekker. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature , kan worden aangewend om belangrijke gewassoorten resistenter te maken tegen ziekten.

Als hoofdvoedsel voor 40 % van de wereldbevolking kan het belang van tarwe voor de voedselzekerheid moeilijk worden overschat.

Gewasweerbaarheid in een veranderend klimaat en weerstand tegen infectieziekten zullen de beperkende factoren zijn voor toekomstige voedselstabiliteit. In het geval van tarwe is een van de economisch meest significante pathogenen stengelroest, een kwaadaardige schimmel die verwoestende effecten kan hebben op de opbrengsten.

Hoewel stengelroest tarwe al sinds de prechristelijke tijden besmet, was het dankzij de inspanningen van kwekers en plantpathologen mogelijk geweest om significante epidemieën in de belangrijkste tarweteeltgebieden in de wereld in de laatste 50 jaar van de 20e te voorkomen. /sup> eeuw. Helaas werd dit rooskleurige beeld in 1998 verbrijzeld met de opkomst van een nieuwe, zeer virulente variant van tarwestengelroest in Oeganda.

Ug99, zoals bekend, kan tot 80% van 's werelds tarwevariëteiten aantasten, wat in sommige gevallen resulteert in volledig verlies van opbrengst van besmette velden. Om gewassen te voorzien van resistentie tegen nieuwe en opkomende plantpathogenen, zoeken plantwetenschappers en veredelaars vaak wilde variëteiten van sommige van onze basisgewassen af ​​op genen die een effectieve immuniteit kunnen bieden. De opkomst van Ug99 gaf een bijzondere impuls aan dergelijke inspanningen en leidde tot de identificatie van Sr35, een gen dat beschermt tegen Ug99 wanneer het in broodtarwe wordt geïntroduceerd.

Nu hebben wetenschappers onder leiding van Jijie Chai en Paul Schulze-Lefert van de Universiteit van Keulen en het Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Keulen, Duitsland, en Yuhang Chen van de Chinese Academie van Wetenschappen, China, de structuur van de Sr35 gedecodeerd. tarwe eiwit. Hierdoor konden ze uitleggen hoe Sr35 Eenkorentarwe beschermt tegen Ug99.

Sr35 is een voorbeeld van een nucleotide-bindende leucine-rijke herhalingsreceptor (NLR) in plantencellen die de aanwezigheid van binnendringende pathogenen detecteert. NLR-activering wordt geactiveerd door de herkenning van pathogene "effectors", kleine eiwitten die in plantencellen worden afgeleverd door micro-organismen binnen te dringen om de plant te verzwakken. Elk NLR bindt typisch aan één type effector.

Wanneer Sr35 wordt geactiveerd, assembleren vijf receptoren samen tot een groot eiwitcomplex, dat de onderzoekers het 'Sr35-resistosoom' noemen. Dergelijke resistosomen hebben het vermogen om als kanalen in het plantencelmembraan te werken. Deze kanaalactiviteit zet krachtige immuunreacties in gang die culmineren in de zelfmoord van plantencellen op de plaats van infectie als een soort zelfopoffering om de rest van de plant te beschermen.

In deze studie slaagden de onderzoekers er voor het eerst in om de structuur op te lossen en de immuunfunctie van een resistosoom van een gewassoort te beschrijven.

De wetenschappers begonnen met het synthetiseren van zowel Sr35 als de bijbehorende Ug99-effector in insectencellen, een strategie waarmee ze grote hoeveelheden Sr35-resistosomen konden isoleren en zuiveren, en gebruikten cryogene elektronenmicroscopie, een techniek waarbij monsters worden ingevroren tot cryogene temperaturen waardoor de bepaling van biomoleculaire structuren bij atomaire resolutie.

Alexander Förderer, die de studie leidde, zegt:"In de structuur van Sr35 konden we die delen van het eiwit identificeren die belangrijk zijn voor Ug99-effectorherkenning. Met dit inzicht hoop ik dat we nieuwe NLR's kunnen genereren die in het veld kunnen worden toegepast om elite tarwevariëteiten te beschermen tegen Ug99 en op deze manier bij te dragen aan de wereldwijde voedselzekerheid."

Gewapend met hun kennis van de structuur van het Sr35-resistosoom, gingen Alexander Förderer en zijn co-auteurs Ertong Li en Aaron W. Lawson aan de slag om te bepalen of ze nu niet-functionele receptoren van gevoelige elite-variëteiten van gerst en tarwe konden hergebruiken om de Ug99 te herkennen. effector. Ze kwamen terecht op twee eiwitten die, hoewel vergelijkbaar met Sr35, Ug99 niet herkennen. Toen ze de elementen van Sr35 verwisselden waarvan bekend is dat ze in contact komen met de Ug99-effector, konden de wetenschappers deze eiwitten omzetten in receptoren voor de Ug99-effector.

Volgens Paul Schulze-Lefert:"Deze studie illustreert ook hoe de natuur een gemeenschappelijk ontwerpprincipe heeft gebruikt om immuunreceptoren te bouwen. Tegelijkertijd zijn deze receptoren zo geëvolueerd dat ze de flexibiliteit hebben behouden om nieuwe receptorvarianten te genereren die kan immuniteit bieden tegen andere microbiële pathogenen zoals virussen, bacteriën of nematoden."

Jijie Chai wijst erop dat de inzichten die in dit onderzoek zijn opgedaan "de mogelijkheid bieden om de gewasresistentie te verbeteren door plantresistentie-eiwitten te ontwikkelen die een reeks verschillende pathogene effectoren herkennen." + Verder verkennen

Nieuwe materialen voor chromosoomtechniek bieden resistentie tegen Ug99 voor tarweveredelaars