DECODING LIGAND-RECEPTOR SPECIFICITIES of LysMPROTEINS IN PLANT IMMUNITY AND SYMBIOSIS

• Antragsteller: Privatdozent Simone Ferrari, Ph.D.; Professor Dr. Volker Lipka; Professor Dr. Thorsten Nürnberger; Professor Dr. Jens Stougaard
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263774248

Neue Strategien zur Qualitätssicherung und Resistenzsteigerung von Nutzpflanzen zielen auf die verbesserte Perzeption potentieller Schadorganismen, die gezielte Manipulation mikrobieller Virulenzstrategien und die Ausnutzung natürlicher Symbiosen. Die Realisierung solcher Technologien setzt ein grundlegendes Verständnis der molekularen Mechanismen voraus, welche die komplexen Interaktionen von Pflanzen und Mikroben kontrollieren. Im Laufe der Evolution haben insbesondere pflanzliche Rezeptoren mit sogenannten Lysin-Motiv-(LysM)-Domänen eine bedeutende Rolle in der Erkennung mikrobieller Signalstoffe mit N-Acetylglucosamin-(NAG)-Struktur erworben. So sind LysM-Immunrezeptoren an der Wahrnehmung mikrobieller Zellwandstrukturen (Chitin, Peptidoglycan/PGN) und der pflanzlichen Resistenz gegen mikrobielle Infektionen beteiligt. LysM-Rezeptoren sind auch an Wurzelsymbiosen mit erdbürtigen Rhizobakterien oder Mycorrhiza-Pilzen beteiligt, welche sich durch Produktion passgenauer Lipochitooligosaccharide mit NAG-Struktur zu erkennen geben. Phytopathogene Mikroben wiederum nutzen Effektormoleküle mit LysM-Domänen, um die pflanzliche Abwehrmaschinerie zu sabotieren. Ganz allgemein lässt sich daher sagen, dass mechanistische Einblicke in die Architektur von Rezeptorkomplexen und in Strukturmerkmale, welche die Ligandenspezifität von LysMDomänenproteinen kodieren, der Schlüssel sein können, um Pflanze-Mikroben-Interaktionen besser kontrollieren und Nutzpflanzenqualität nachhaltig sichern zu können. SIPIS vereint fünf Partner mit komplementärer Expertise in der Analyse pflanzlicher LysM-Proteine, die die Interaktion mit Mikroben steuern (Symbiose bzw. Immunität). Die Modellsysteme umfassen die Arabidopsis- Immunrezeptoren AtCERK1 (Chitin-Sensor) und AtLYM1/AtLYM3 (PGN-Sensoren), die Nodulationsfaktor-Sensoren LjNFR1/LjNFR5 aus Lotus und LysM-Effektoren aus phytopathogenen Pilzen mit Chitin- oder Chitin/PGN-Sensorfunktion. Das geplante Arbeitsprogramm addressiert die ERA-CAPS-Themenbereiche Biotic Stress und Food Security und hat folgende Ziele: (I) Aufklärung struktureller Merkmale von LysM-Proteinen, welche für Ligandenspezifität und -affinität verantwortlich sind (Röntgenstrukturanalyse, modernsten Ligandenbindungs- und -affinitätsanalysen), (II) Analyse der Architektur und Stöchiometrie von LysM-Protein-Liganden-Komplexen (Co-Immnopräzipitation, Proteinmikroskopie), (III) Molekulare Analyse der LysM-Rezeptor-vermittelten Signaltransduktion, (IV) Ausnutzung der 3D-Strukturinformationen von LysM-Rezeptoren für computergestützte drug design-Strategien mit dem Ziel, Agonisten der pflanzlichen Immunität zu generieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark, Italien, Niederlande
• Mitverantwortliche: Dr. Mickael Blaise; Dr. Andrea A. Gust; Professorin Dr. Benedetta Mattei
• Kooperationspartner: Professor Dr. Bart Thomma