Грибок угрожает мировым запасам продовольствия. Ученые только что нашли новую защиту.
Ученые обнаружили многообещающий новый способ защиты некоторых из важнейших продовольственных культур мира от разрушительного грибка, угрожающего глобальной продовольственной безопасности. Путем инженерной модификации природных иммунных защит растений исследователи разработали экспериментальный подход, который в перспективе может помочь пшенице, рису и ячменю эффективнее противостоять грибковым инфекциям.
Международная группа исследователей под руководством ученых из John Innes Centre в Соединенном Королевстве изучала недавно обнаруженную группу растительных иммунных рецепторов. Они выяснили, как эти белки распознают вторгшихся патогенов, и продемонстрировали, что их можно модифицировать для обнаружения множества грибковых угроз. Полученные данные могут открыть путь к культурам с более прочной и долговечной устойчивостью к заболеваниям.
Разрушительный грибок угрожает глобальному продовольствию
Объектом исследования является Magnaporthe oryzae — гриб, вызывающий болезнь под названием рисовая берёзовка (blast disease). Он вызывает самое серьезное грибковое заболевание культурного риса и также стал серьезной угрозой пшенице и ячменю в отдельных регионах Азии и Африки.
Ущерб огромен. Ежегодно рисовая берёзовка уничтожает урожай риса, которого достаточно, чтобы прокормить примерно 60 миллионов человек. По мере распространения грибка в новые сельскохозяйственные регионы разработка эффективных способов защиты культур приобретает все большее значение для глобальной продовольственной безопасности.
Грибок заражает растения через сложную биологическую стратегию. Он вводит в клетки листьев и стеблей специализированные молекулы, известные как эффекторы. Эти молекулы нарушают нормальные функции растений, позволяя патогену установить инфекцию и вызвать заболевание.
Растения, однако, выработали собственные системы защиты. Специализированные иммунные рецепторы могут распознавать эти чужеродные молекулы и запускать защитный ответ. Один из важных механизмов включает вызов контролируемой гибели инфицированных клеток в локализованной области, что помогает предотвратить дальнейшее распространение патогена по растению.
Ученые обнаружили ранее скрытую иммунную защиту растений
В течение более трех десятилетий большая часть исследований растительного иммунитета была сосредоточена на белках, называемых NLR-рецепторами (Nucleotide-binding and leucine-rich receptors). Эти рецепторы сыграли центральную роль в понимании того, как культуры распознают и защищаются от болезни берёзовки и других инфекций.
В последние годы ученые начали изучать другую группу иммунных белков, встречающихся в злаках, известную как тандемные киназные белки (tandem kinase proteins, TKP). Хотя исследователи все еще выясняют, как эти рецепторы функционируют, они, по-видимому, предлагают дополнительные возможности для укрепления защит растений.
Предыдущие исследования показали, что некоторые TKP содержат специализированный участок, называемый доменом, ассоциированным с тяжелыми металлами (Heavy Metal Associated, HMA). Похожие участки обнаружены и в некоторых NLR-рецепторах, где они помогают распознавать эффекторные молекулы патогенов и инициировать иммунные ответы.
Эта общая особенность привлекла внимание Бэнфилда и его коллег, поскольку она предполагала, что ученые могут перенастроить рецепторы для распознавания дополнительных грибковых угроз.
«Это вызвало наш интерес, — сказал профессор Бэнфилд. — Если мы сможем инженерно модифицировать интегрированные HMA-домены для новых свойств, внося изменения в аминокислотную последовательность белка в тех местах, где связываются эффекторы, мы можем получить то, что называем новыми специфичностями распознавания — и потенциально новую передовую линию защиты растений от болезней».
Превращая грибковые атакующие молекулы в мишени
В исследовании, опубликованном в Science Advances, ученые изучали, как именно HMA-домены взаимодействуют с молекулами, выделяемыми грибком берёзовки.
С помощью биофизических методов и кристаллографии, техники, позволяющей определить трехмерную структуру молекул с высокой детализацией, команда получила высокоразрешающее представление о том, как эти растительные рецепторы связываются с грибковыми эффектами.
Результаты показали, что HMA-домены могут функционировать как биологическая приманка. Связывая молекулы, которые грибок использует во время заражения, эти участки помогают растениям распознавать присутствие патогена и активировать свои защитные механизмы.
Вооружившись структурной информацией, исследователи модифицировали TKP-иммунные рецепторы так, чтобы они могли распознавать два различных грибковых эффектора, связанных с инфекциями пшеницы и ячменя.
Способность обнаруживать несколько мишеней, известная как двойная специфичность, необычна для естественно встречающихся иммунных рецепторов. Демонстрация того, что ее можно ввести посредством инженерии белков, предлагает перспективный способ расширить диапазон угроз, которые может распознавать иммунная система культур.
Эти результаты также дают основу для изучения других недавно выявленных TKP в различных злаковых культурах. В будущем ученые, возможно, смогут проектировать индивидуальные иммунные рецепторы, которые одновременно обнаруживают несколько грибковых эффекторов, что потенциально усложнит патогенам заражение растений.
Инженерия культур с более прочной устойчивостью к болезням
Хотя результаты обнадеживают, технология остается на ранней экспериментальной стадии.
Исследователи провели первоначальные испытания на прозопластах — отдельных клетках пшеницы, которые служат упрощенной моделью для изучения ответов растительных тканей. Следующим этапом будет выяснить, способны ли модифицированные рецепторы обеспечить эффективную защиту в целых растениях, выращиваемых в контролируемых условиях теплицы.
«Наше исследование показывает, что этот новый класс белков сопротивления пригоден для инженерии. Мы теперь знаем, что прежние инструменты, которые мы использовали при инженерии NLR-рецепторов, могут также работать с этим новым классом», — сказал доктор Даниэл Ю, первый автор исследования.
Понимание того, как грибковые эффекторы прикрепляются к растительным иммунным рецепторам, также может помочь исследователям использовать другие технологии. Точные методы селекции и искусственный интеллект могут дать дополнительные пути для перенастройки HMA-доменов, позволяя им распознавать молекулы патогенов, которые ранее ускользали от обнаружения.
Одной из особенно перспективных возможностей является комбинация разных типов иммунных рецепторов в одной культуре.
Поскольку NLR и TKP, по-видимому, активируют защиту растений через разные механизмы, их совместное использование может создать несколько уровней защиты. Это может затруднить грибкам эволюционную адаптацию и обход иммунной системы растения.
«Мы думаем, что эти два класса иммунных рецепторов, NLR и TKP, вероятно, активируются по-разному, — сказал профессор Бэнфилд. — Это дает потенциал для более устойчивого иммунитета в поле, потому что вы не складываете все яйца в одну корзину. В будущем мы сможем, возможно, использовать техники для объединения генов, кодирующих TKP и NLR, против одной и той же болезни, создавая сверхустойчивую культуру. Они будут активировать иммунитет разными путями, поэтому патогенам, вероятно, будет сложнее от них уйти».
Нарастающая угроза для пшеницы, риса и ячменя
Необходимость в лучшей защите становится все более неотложной по мере того, как болезнь берёзовки продолжает угрожать основным продовольственным культурам.
Вспышки пшеничной берёзовки впервые были выявлены в Бразилии в 1980-х годах и с тех пор распространились на части Азии и Африки. Хотя это заболевание не обнаружено в Соединенном Королевстве, изменение климата в будущем может создать условия, при которых оно станет угрозой для производства злаков в северной Европе.
Для фермеров появление болезни в новых регионах представляет серьезную проблему, особенно потому, что грибок может угрожать культурам, жизненно важным для прокорма больших групп населения.
Раскрывая, как ранее малоизученный класс растительных иммунных рецепторов может быть модифицирован для распознавания нескольких грибковых угроз, исследователи определили возможную новую стратегию защиты будущих урожаев.
Потребуются дополнительные испытания, чтобы установить, работают ли эти модифицированные защиты эффективно в целом растении и в полевых агрокультурных условиях. В случае успеха комбинирование разных иммунных рецепторов может в конечном итоге помочь ученым разработать культуры с более устойчивой защитой против одного из самых разрушительных грибковых заболеваний в сельском хозяйстве.
