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Protein kämpft gegen Pilze – Marburger Mikrobiologen finden Abwehrmolekül Kiwellin in Maispflanzen

Das Protein Kiwellin wird als Abwehrreaktion auf die Aktivität des Enzyms Cmu1 gebildet. Abbildung: Gert Bange

Marburg 23.01.2019 (wm/red) Mais ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit. Die Pflanze dient als Nahrungsquelle, aber auch als Grundlage für Industrieprodukte bis hin zur Erzeugung von Biogas. Wenn Mais von Krankheiten befallen wird, kann dies zu Hungersnöten und zu großen wirtschaftlichen Schäden führen. Der Pilz Ustilago maydis löst beim Befall von Maispflanzen die Krankheit Maisbeulenbrand aus. Im Verlauf der Infektion werden vom Pilz eine Vielzahl sogenannter Effektormoleküle in die Maispflanze abgegeben, welche die Infektion unterstützen und die Immunantwort der Pflanze unterdrücken.
Marburger Forscherinnen und Forscher beschreiben in einer Studie an Maispflanzen eine neue Klasse von pflanzlichen Abwehrmolekülen. Die sogenannten Kiwelline werden von Pflanzen als Abwehrreaktion gegen den Befall durch schädliche Pilze gebildet. Die Ergebnisse der Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Eine solche Funktion übt auch die Chorismat Mutase 1 (Cmu1) aus, ein Enzym, das der Pilz in den Mais abgibt, um dessen Shikimisäure-Stoffwechselweg zu manipulieren. Dieser zentrale Stoffwechselvorgang ist auch für die Synthese bestimmter Aminosäuren notwendig. Ziel dieser Manipulation ist es, die pflanzliche Produktion von Salizylsäure zu verhindern. „Der wichtige Botenstoff Salizylsäure signalisiert in der Pflanze die Infektion durch schädliche Organismen“, sagt Prof. Dr. Regine Kahmann.

In der Studie fanden die Forscherinnen und Forscher um Prof. Dr. Regine Kahmann vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie und Prof. Dr. Gert Bange vom Zentrum für synthetische Mikrobiologie und dem Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg ein Protein, das die Aktivität von Cmu1 sehr erfolgreich hemmt: Kiwellin. Die Forscherinnen und Forscher konnten außerdem den genauen Mechanismus durch Röntgenkristallographie beschreiben. „Die Struktur zeigt eindrücklich, dass das Abwehrprotein den Zugang der Substrate und damit die katalytische Funktion der Cmu1 blockiert“, erklärt Bange.

Weiterführende Untersuchungen zeigten, dass Kiwelline zu einer großen Klasse von pflanzlichen Abwehrproteinen gehören. So finden sich allein im Mais 20 verschiedene Kiwelline, von denen allerdings nur eines die Aktivität des pilzlichen Effektormoleküls hemmt.

Frühere Studien haben die Produktion von Kiwellinen in Tomaten und Kartoffeln nach Befall durch schädliche Organismen gezeigt. Sie ließen bereits vermuten, dass Kiwelline ein nicht unwesentlicher Teil einer universellen pflanzlichen Abwehrreaktion sein könnten. Dies  haben die Marburger Forscherinnen und Forscher nun nachweisen können. Sie legen damit auch den Grundstein für die Identifikation weiterer Kiwelline und ihrer Zielproteine in anderen Organismen. Mittelfristig könnte dies eine biotechnologische Nutzung von Kiwellinen als Alternative zu fungiziden Pflanzenschutzmitteln ermöglichen.

Originalveröffentlichung
Han X, Altegoer F, Steinchen W, Binnebesel L, Schuhmacher J, Glatter T, Giammarinaro PI, Djamei A, Rensing SA, Reissmann S, Kahmann R, Bange G (2019) A kiwellin disarms the metabolic activity of a secreted fungal virulence factor. Nature. doi:10.1038/s41586-018-0857-9.

Abbildung: Das Protein Kiwellin wird als Abwehrreaktion auf die Aktivität des Enzyms Cmu1 gebildet. Abbildung: Gert Bange