Germany
February 13, 2025
Scientists have decoded the structure of a barley protein that provides resistance against a devastating fungal disease. Such structures could inform efforts to protect crops from plant pathogens.
Barley leaves infected with powdery mildew - Mit Echtem Mehltau infizierte Gerstenblätter - © Aaron Lawson
Powdery mildew is a destructive fungal disease of barley that can result in crop losses of up to 40%. To protect themselves from powdery mildew, barley has evolved a series of immune receptors that each recognise matching, strain-specific powdery mildew proteins known as effectors. This recognition event confers resistance and so insights gleaned from a study of this interaction could be exploited by scientists to make barley and its sister species such as wheat more resistant to this costly disease. Now, using cutting-edge technology, scientists from the from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research (MPIPZ) in Cologne, Germany, have succeeded in determining the structure formed by one immune receptor, called MLA13, in complex with its matching fungal effector, AVRA13-1. Their findings are published in the renowned EMBO Journal.
The researchers, led by Paul Schulze-Lefert at the MPIPZ, Elmar Behrmann at the University of Cologne and Jijie Chai at Westlake University in Hangzhou, China, used the cryogenic electron microscopy (cryo-EM) technique. In cryo-EM, samples are cooled to cryogenic temperatures and the structures of biological specimens such as proteins are preserved by embedding in an amorphous form of ice. The resulting structure with atomic resolution reveals how the plant immune receptor and fungal effector interact with each other as well as the structure adopted by the fungal effector.
These insights allowed first author Aaron W. Lawson to engineer a new version of another immune receptor, MLA7, which recognises an effector called AVRA7. The sequences of MLA immune receptors are highly similar to each other, which is also the case for MLA7 and MLA13. Lawson and his co-authors thus asked if, based on the MLA13-AVRA13-1 structure, they could change the recognition specificity of MLA7. Indeed, by changing only one amino acid in the protein sequence of MLA7 the authors succeeded in engineering a new version of MLA7 that now recognised AVRA13-1, whilst retaining its recognition of AVRA7.
Plant breeding traditionally involves painstaking and time-intensive crosses in order to obtain plants with the desired combination of different attributes. However, the fungus that causes powdery mildew on barley diversifies very rapidly, meaning that traditional breeding techniques cannot keep up with the emergence of new, virulent fungal variants. In showing how immune receptors can be engineered to change or expand their specificity – a method that is much more precise and rapid than traditional breeding – the authors’ findings show how structure-guided gene editing of such receptors could be a viable tool for protecting barley from disease and ensuring food security.
Genes encoding MLA immune receptors evolved in a common ancestor of a grass family that includes the sister species barley, wheat, oats and rye, and are found in each of these cereals. Since MLA immune receptors can also confer immunity to other microbial pathogens such as rust fungi and the rice blast fungus, gene-edited MLA receptors have the potential to protect these staple crops from multiple economically relevant diseases.
Eine Blaupause für pilzresistentes Getreide
Forschende haben die Struktur eines Gerstenproteins entschlüsselt, das Immunität gegen eine weit verbreitete Pilzkrankheit vermittelt. Solche Strukturen könnten in Zukunft helfen, Nutzpflanzen wirksamer vor Krankheiten zu schützen.
Echter Mehltau ist eine weit verbreitete Pilzkrankheit der Gerste in gemäßigten Klimazonen wie in weiten Teilen Europas, die zu Ernteverlusten von bis zu 40 Prozent führen kann. Zum Schutz vor Mehltau hat die Evolution die Gerste mit einer Vielzahl von Immunrezeptoren ausgestattet, die hochspezifisch jeweils ein Mehltauprotein erkennen, auch Effektor genannt, das nur in einem Stamm einer genetisch vielfältigen Mehltaupopulation vorkommt. Baupläne für diese Immunrezeptoren sind Resistenzgene der Pflanze, die seit Jahrzehnten von Pflanzenzüchtern in Zuchtprogrammen aus Wildformen in Nutzpflanzen eingekreuzt werden. Die Erkenntnisse aus der aktuellen Studie könnte Wissenschaftler:innen dabei helfen, Gerste und verwandte Arten wie Weizen widerstandsfähiger gegen diese Krankheit zu machen. Forschenden des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln ist es nun gelungen, die Struktur eines Immunrezeptors namens MLA13 im Komplex mit seinem korrespondierendem Pilz-Effektor AVRA13-1 zu bestimmen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift EMBO Journal veröffentlicht.
Die Forschenden um Paul Schulze-Lefert vom MPIPZ, Elmar Behrmann von der Universität zu Köln und Jijie Chai von der Westlake University in Hangzhou, China, nutzten dazu die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Bei der Kryo-EM werden Proben rasch auf kryogene Temperaturen tiefgekühlt, um die filigranen Strukturen der Proteine mit ihrer natürlichen Faltung zu erhalten. Die abgeleitete Struktur mit atomarer Auflösung zeigt, wie der Immunrezeptor der Pflanze und der Pilz-Effektor sich fest aneinanderlagern und welche Struktur der Pilz-Effektor dabei annimmt.
Diese Ergebnisse ermöglichten es dem Erstautor Aaron W. Lawson, eine synthetische Version eines anderen Immunrezeptors, MLA7, zu entwickeln, der einen Pilz-Effektor namens AVRA7 erkennt. Die Sequenzen der MLA-Immunrezeptoren sind sich sehr ähnlich, auch die von MLA7 and MLA13. Lawson und seine Koautoren fragten sich daher, ob sie die Struktur von MLA13-AVRA13-1 nutzen könnten, um die Erkennungsspezifität von MLA7 zu verändern. Tatsächlich gelang es den Autoren, durch die Veränderung einer einzigen Aminosäure in der Proteinsequenz von MLA7 eine neue Version von MLA7 zu entwickeln, die nun AVRA13-1 erkennt, aber weiterhin auch AVRA7.
In der Pflanzenzüchtung sind traditionell zeitaufwändige Kreuzungen notwendig, um Pflanzen mit der gewünschten Kombination von Eigenschaften zu erzielen. Der Pilz, der den Echten Mehltau der Gerste verursacht, kann sich jedoch innerhalb einer Woche mit einer Vielzahl von Nachkommen vermehren, so dass in der Natur rasch neue Pilzstämme mit veränderten Effektoren entstehen. Herkömmliche Methoden der Pflanzenzüchter und der Resistenzzüchtung können mit dem Auftreten virulenter Varianten des Pilzerregers nicht Schritt halten.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, wie Immunrezeptoren gezielt verändert werden können, um ihre Spezifität zu verändern oder zu erweitern. Die Kenntnis dieser Proteinstrukturen ermöglicht es, die genetischen Baupläne dieser Rezeptoren durch Gen-Editierung so zu verändern, dass die Gerste gegen mehrere Mehltaustämme geschützt ist.
Die Gene, die für MLA-Immunrezeptoren kodieren, stammen von einem gemeinsamen Vorfahren, zu dem auch die verwandten Gräser Gerste, Weizen, Hafer und Roggen gehören. Diese Gene kommen in jeder dieser Getreidearten vor. Da MLA-Immunrezeptoren auch gegen andere weit verbreitete Pilzerreger wie Rostpilze und Reisbräune schützen können, haben geneditierte Resistenzgene das Potenzial, als Blaupause für breit wirksame MLA- Rezeptoren zu dienen. Damit könnten diese Grundnahrungsmittel widerstandfähiger gegen eine Vielzahl wirtschaftlich bedeutender Krankheiten werden.
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