Wie Pflanzen Wachstum, Fortpflanzung und Immunabwehr steuern

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuartigen Mechanismus entdeckt, mit dem ein Rezeptor pflanzeneigene Peptide erkennt. Die Entdeckung dieses Aktivierungsmechanismus schafft ein neues Paradigma, wie Pflanzen auf interne und externe Einflüsse reagieren. Die Studie «Mechanisms of RALF peptide perception by a heterotypic receptor complex» wurde in der Fachzeitschrift «Nature» veröffentlicht.

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Die Entdeckung wird zu einem besseren Verständnis verschiedener Prozesse in Zellen beitragen.

Ähnlich wie Insulin beim Menschen produzieren auch Pflanzen Peptidhormone, die interne Prozesse und Reaktionen steuern, darunter Wachstum, Entwicklung und Immunität. Dazu gehört RALF23 aus der großen Familie der RALF-Pflanzenpeptidhormone. Das Forschungsteam entdeckte nun einen neuartigen Mechanismus, wie Peptidsignale von den Pflanzenrezeptoren erkannt werden. Da RALF-Peptide verschiedene grundlegende Prozesse innerhalb der Pflanzen steuern, werden diese neuen Erkenntnisse das wissenschaftliche Verständnis vieler weiterer Rezeptoren begünstigen, die grundlegende Prozesse in Pflanzen regulieren.

Molekulare Grundlage ermittelt

Frühere Arbeiten der Arbeitsgruppe von Prof. Cyril Zipfel am Sainsbury Laboratory (Norwich, UK) und an der Universität Zürich hatten ergeben, dass RALF23 das pflanzeneigene Abwehrsystem reguliert. Durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Zipfels Gruppe und der Gruppe um Prof. Jijie Chai am Innovation Center for Structural Biology und am Joint Center for Life Sciences der Universitäten Tsinghua und Peking (Peking, China) sowie an der Universität zu Köln konnten die Forscher nun die molekulare Grundlage für die Erkennung von RALF23 ermitteln. An dieser Arbeit waren auch Mitarbeiter des Gregor-Mendel-Instituts in Wien beteiligt. 

Prof. Jijie Chai sagt: «Wir waren begeistert als wir sahen, dass RALF23 zwei verschiedene Arten von Proteinen benötigt – eine Rezeptorkinase (FERONIA) und ein anderes, an der Aussenseite der Zellmembran verankertes Eiweiss – um erkannt zu werden. Die Art und Weise, wie diese drei Eiweisse einen Proteinkomplex bilden, könnte auch auf andere Pflanzenrezeptoren zutreffen, die Peptidhormone erkennen.»

Erstmals an der UZH identitiziert

Prof. Cyril Zipfel fügt hinzu: «FERONIA ist ein Pflanzenrezeptor, der vor über einem Jahrzehnt von meinem Kollegen Prof. Ueli Grossniklaus an der Universität Zürich erstmals identifiziert wurde, und der eine wichtige Rolle bei der Fortpflanzung spielt. Heute wissen wir, dass dieser Rezeptor eine Schlüsselrolle in mehreren pflanzlichen Prozessen spielt. Da wir nun die molekularen Grundlagen verstehen, wie FERONIA RALF-Peptide erkennt, können wir untersuchen, wie dieser einzigartige Rezeptor zentrale Aspekte des Pflanzenlebens steuert.»

Jijie Chai ist Alexander von Humboldt-Professor am Institut für Biochemie der Universität zu Köln. Er forscht dort und am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung über den Aufbau von Proteinen, insbesondere Rezeptoren, die für die Immunabwehr von Lebewesen wichtig sind. Ob Mensch, Maus oder Getreide – die beteiligten Proteine sind über die Grenzen des Tier- und Pflanzenreichs hinweg sehr ähnlich. Wer diese Eiweisse genau kennt, hat den Schlüssel dazu, das Immunsystem von Organismen gezielt zu beeinflussen. Indem Chai die komplexen Strukturen der Proteine beschreibt, liefert er wichtige Grundlagen für die Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten und die Entwicklung von Medikamenten, zum Beispiel gegen Entzündungskrankheiten.

Literatur:

Yu Xiao, Martin Stegmann, Zhifu Han, Thomas A. DeFalco, Katarzyna Parys, Li Xu, Youssef Belkhadir, Cyril Zipfel and Jijie Chai, ‘Mechanisms of RALF peptide perception by a heterotypic receptor complex,’ Nature, 10 July 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1409-7

Studienförderung

Die Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China, dem Ministry of Science and Technology, dem Tsinghua–Peking Joint Center for Life Sciences, dem Advanced Innovation Center of Structural Biology in Peking, dem ERC, der Gatsby Charitable Foundation und der Universität Zürich gefördert.