Natürliche Resistenzgene helfen Nutzpflanzen, Krankheitserreger abzuwehren. Ihr Erkennungsspektrum ist jedoch begrenzt, während sich Erreger rasch verändern. Forschende in China haben deshalb pflanzliche Immunrezeptoren mit neu entworfenen Erkennungsmodulen ausgestattet. Die synthetischen Rezeptoren lassen sich gezielt auf Proteine verschiedener Erreger programmieren. Die Arbeit ist im Fachjournal Science erschienen.

KI entwirft passende Bindemodule

Im Zentrum stehen sogenannte NLR-Rezeptoren. Sie arbeiten im Inneren der Pflanzenzelle und lösen eine Abwehrreaktion aus, wenn sie Moleküle eines Erregers erkennen. Viele NLR-Rezeptoren besitzen dafür große, wiederholte Bereiche, die sich nur schwer verändern lassen.

Das Team um Caixia Gao vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften nutzte daher den Reis-Immunrezeptor Pikm-1. Er enthält eine kompakte Erkennungsregion, eine integrierte Köderdomäne. An ihre Stelle setzten die Forschenden neu entworfene Proteinmodule. Die KI-Werkzeuge AlphaFold 3 und BindCraft halfen, diese Binder auf Erregerproteine zuzuschneiden.

So entstanden 391 synthetische Pflanzen-Immunrezeptoren, kurz SPIRs. Sie zielten auf Proteine von Viren, Bakterien, Pilzen und Eipilzen. Zunächst prüften die Forschenden 48 Rezeptoren gegen das Hüllprotein des Kartoffelvirus Y. Dazu testeten sie in Pflanzenzellen, ob der jeweilige Rezeptor nur beim Kontakt mit seinem vorgesehenen Zielprotein eine Immunreaktion auslöste. Elf Varianten bestanden diesen ersten Test. Anschließend weitete das Team das Verfahren auf Proteine weiterer Viren sowie von Bakterien, Pilzen und Eipilzen aus. Insgesamt waren 71 von 391 Konstruktionen spezifisch aktiv, entsprechend 18,2 Prozent.

Gezielte Evolution verbessert Rezeptoren

Ein Teil der künstlichen Rezeptoren reagierte zunächst noch unzuverlässig: Manche lösten auch ohne Erregerprotein eine Abwehrreaktion aus, andere reagierten zu schwach. Deshalb veränderte das Team die Baupläne der Rezeptoren in vielen kleinen Schritten und testete zahlreiche Varianten direkt in Pflanzenzellen. Mit der Methode GRAPE konnten besonders viele Varianten parallel erzeugt und geprüft werden. Ausgewählt wurden jene Rezeptoren, die nur beim passenden Erregerprotein eine starke Immunreaktion auslösten. Mehrere dieser verbesserten Rezeptoren ließen sich anschließend kombinieren, sodass die Pflanzenzellen unterschiedliche Erregerproteine erkennen konnten.

Den Infektionsschutz prüfte das Team an gentechnisch veränderten Tabak-Pflanzen der Modellart Nicotiana benthamiana. Rezeptoren gegen Proteine des Jordan-Virus (Tomato brown rugose fruit virus, ToBRFV) machten die Pflanzen widerstandsfähig gegen den Virusbefall. Damit zeigt die Studie, dass sich künstlich entworfene Erkennungsmodule in eine funktionierende Pflanzenabwehr übersetzen lassen.

Bislang ist das Verfahren ein Machbarkeitsnachweis an einer Modellpflanze und einem Virus. Ob die Rezeptoren auch in Kulturpflanzen stabil arbeiten und unter Feldbedingungen dauerhaften Schutz bieten, muss nun geprüft werden.

ag