Новые активные агенты на основе РНК надежно защищают растения от вируса мозаики огурца (Cucumber mosaic virus, CMV), распространенного и вредоносного заболевания.
Вещества были разработаны исследователями из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (Martin Luther University Halle-Wittenberg, MLU).
Эти активные ингредиенты обладают широким спектром действия; ряд молекул РНК поддерживает иммунную систему растения в борьбе с вирусом. В лабораторных экспериментах от 80 до 100% обработанных растений выжили после заражения с высокой вирусной нагрузкой, как сообщает группа в статье, опубликованной в Nucleic Acids Research. Исследование было выбрано журналом как «прорывная статья». Сейчас ученые работают над переносом идеи из лаборатории в практику.
Вирус мозаики огурца, или огуречная мозаика, - особенно разрушительный вирус для сельскохозяйственных культур. Около 90 видов тлей переносят вирус, который поражает более 1200 видов растений. К ним относятся многочисленные сельскохозяйственные культуры, такие как кабачки, огурцы, злаки, лекарственные и ароматические растения. Зараженные растения легко идентифицировать по характерному мозаичному рисунку на листьях.
После заражения растения перестают развиваться, а плоды невозможно продать. На сегодняшний день не существует одобренных средств против CMV, однако новая работа исследователей из MLU может обеспечить долгосрочное решение. Основная идея заключается в борьбе с вирусом путем направления естественной защиты растения в правильном направлении.
Когда вирус заражает растение, он использует клетки растения в качестве хозяина. Вирус размножается через свой генетический материал в форме молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК) в клетках растения. После инъекции эти чужеродные молекулы РНК вызывают первоначальный ответ иммунной системы растения. Специальные ферментные ножницы распознают и разрезают молекулы вирусной РНК.
Этот процесс производит малые интерферирующие РНК (siRNA), которые распространяются по всему растению и запускают второй этап иммунного ответа. Молекулы siRNA связываются со специальными белковыми комплексами и направляют их к молекулам РНК вируса. Оказавшись там, белки начинают расщеплять вредные молекулы РНК вируса, превращая их в безвредные, разлагаемые фрагменты.
«В целом этот процесс был не очень эффективен в первоначальном виде. Вирусная инфекция производит много разных молекул siRNA, но лишь немногие из них обладают защитным эффектом», - говорит профессор Свен-Эрик Беренс из Института биохимии и биотехнологии MLU. Его команда разработала метод идентификации молекул siRNA, которые очень эффективны в этом процессе.
На следующем важном этапе ученые смогли объединить несколько молекул siRNA в так называемые эффективные двухцепочечные молекулы РНК (edsRNA), которые особенно подходят для использования в растениях. Эти edsRNA действуют как своего рода «упаковка», которая распадается на siRNA вскоре после попадания в растительные клетки. Таким образом, большое количество высокоэффективных молекул siRNA может оказывать защитное противовирусное действие на месте.
Группа провела многочисленные лабораторные эксперименты на модельном растении Nicotania benthamiana и смогла показать, что активные агенты на основе edsRNA надежно защищают от вируса мозаики огурца.
«Растения в наших экспериментах были инфицированы очень высокой вирусной нагрузкой: все наши необработанные растения погибли», - объясняет Беренс.
Напротив, от 80 до 100% обработанных растений выжили. Есть еще одно особое преимущество агентов edsRNA: когда упаковка разрушается, образуется группа эффективных молекул siRNA, которые атакуют вирус исключительно в разных местах. Это значительно увеличивает защитный эффект.
«РНК-вирусы, такие как вирус мозаики огурца, опасны, поскольку они могут быстро эволюционировать. Кроме того, генетический материал этого вируса состоит из трех отдельных частей, которые могут смешиваться, что еще больше увеличивает вероятность новых мутаций. Чтобы добиться максимальной защиты от вируса, наши активные ингредиенты воздействуют на разные части генома», - говорит Беренс.
Действующее вещество надежно защищает растения от вируса огуречной мозаики. Оба растения были инфицированы вирусом, но образец слева на снимке не был защищен. Источник фото: Uni Halle / Heiko Rebsch.
Группа также оптимизировала процесс скрининга эффективных siRNA и может адаптировать процедуру для выявления новых вирусных мутаций в течение двух-четырех недель.
«Время - важный фактор: когда появляется новый вариант вируса, мы можем очень быстро модифицировать активный агент соответствующим образом», - объясняет Беренс. Этот подход может быть применен и к другим патогенам и вредителям.
До сих пор вещества вводились вручную в лаборатории, либо путем инъекций, либо путем втирания в листья растений.
Команда работает с фармацевтом и специалистом по доставке лекарств профессором Карстеном Мэдером в MLU, чтобы сделать вещества на основе РНК более долговечными и более простыми для нанесения на растения. Например, их можно распылять. В то же время исследователи планируют полевые испытания для проверки веществ на основе РНК в реальных условиях. И ведут переговоры с компаниями о будущем промышленном производстве.
Кроме того, потенциальные новые средства защиты растений еще должны пройти процедуру одобрения, поэтому пройдет некоторое время, прежде чем на рынок поступит средство для борьбы с вирусом мозаики огурца.
«Однако мы убеждены, что наш подход осуществим. Первый продукт для защиты растений с активным ингредиентом на основе РНК недавно был одобрен в США», - говорит Беренс.
Источник: Martin Luther University Halle-Wittenberg. Фото: Uni Halle / Heiko Rebsch.