Ученые раскрыли механизм, посредством которого сурфактин, молекула, вырабатываемая полезными почвенными бактериями, активирует иммунную защиту растений. Этот механизм, отличающийся от классической парадигмы иммунного распознавания, основан на прямом взаимодействии с клеточной мембраной растения, что открывает перспективы для разработки биопестицидов нового поколения.
Исследование, проведенное учеными из Льежского университета и опубликованное в журнале Nature Plants, посвящено почвенным бактериями рода Bacillus и их взаимодействию с корневой системой растений.
Растения не беззащитны перед патогенами. Некоторые почвенные бактерии, являясь не просто обитателями корней, посылают растениям химические сигналы, подготавливающие их к сопротивлению патогенам.
Международный исследовательский консорциум под руководством ученых из агробиотехнологической лаборатории Gembloux Льежского университета выяснил молекулярный механизм этой иммунизации. Исследование показало, что сурфактин, циклический липопептид, продуцируемый бактериями рода Bacillus, действует не через белковый рецептор, а взаимодействуя непосредственно с липидами в клеточной мембране растений.
«Растения обладают сложными механизмами защиты от болезней. Среди них все больший интерес вызывает иммунитет, индуцированный полезными почвенными микроорганизмами, как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях. Мы уже знали, что некоторые ризосферные бактерии, особенно бактерии рода Bacillus, продуцируют циклические липопептиды, способные стимулировать защитные механизмы растений. Но как эти молекулы распознаются растительными клетками, до сих пор оставалось малоизученным», — объясняет Марк Онгена, исследователь из научно-исследовательского центра TERRA.
Как сурфактин взаимодействует с корнями
Ученые сосредоточили внимание на сурфактине — одном из этих липопептидов — и его взаимодействии с Arabidopsis thaliana, модельным растением, широко используемым в биологических опытах. Используя междисциплинарный подход, сочетающий клеточную биологию, биохимию и биофизику, они продемонстрировали, что сурфактин связывается со сфинголипидами, и в частности с глюкозилцерамидом, присутствующими в клеточной мембране корня.
«Это взаимодействие вызывает небольшую перестройку мембраны, увеличивая ее натяжение, что активирует механочувствительные ионные каналы», — объясняет соавтор работы Магали Делеу. Это запускает каскад сигналов, который распространяется от корней к листьям и подготавливает растение к лучшему сопротивлению патогенам, включая гриб Botrytis cinerea, вызывающий серую гниль.
Этот механизм отличается от классической парадигмы врожденного иммунитета растений, в которой распознавание чужеродных молекул обычно включает мембранные белковые рецепторы. Здесь же в качестве запускающего сигнала выступает физическая модификация самой мембраны, а не взаимодействие типа «ключ-замок» с рецепторным белком. Открытие предоставляет новое понимание того, как растения воспринимают свою микробную среду и различают полезные бактерии и истинные патогены.
На практике исследование является частью усилий по разработке нового поколения биопестицидов. Точное понимание, как эти бактерии или их молекулы активируют иммунитет растений, позволяет разработать более целенаправленные и эффективные стратегии защиты урожая, частично заменяющие химические средства. Таким образом, данные результаты обеспечивают прочную научную основу для рациональной разработки биопродуктов для использования в устойчивом сельском хозяйстве.
Исследование также иллюстрирует ценность междисциплинарных фундаментальных научных работ в решении конкретных агрономических проблем. Расшифровывая химический диалог между почвенными бактериями и растениями-хозяевами на молекулярном уровне, команды Льежского университета и их партнеры открывают новые возможности для более эффективного использования естественных взаимосвязей между микроорганизмами и растениями, что позволит создать сельское хозяйство, менее зависимое от агрохимических продуктов.
Источник: University de Liege.
На графике: почвенная бактерия распознается растением, которое, после высвобождения сигнала, распространяющегося по всем его органам, усиливает свою защиту от атак патогенов. Бактерия Bacillus вырабатывает молекулу, называемую сурфактином, способную взаимодействовать с клетками корня (внизу справа). Более конкретно, сурфактин преимущественно связывается с определенными липидами в клеточной мембране растения (глюкозилцерамидами). Это взаимодействие изменяет физические свойства мембраны, приводя к открытию механочувствительных ионных каналов (вверху справа) и запуску иммунного ответа. Изображение создано в BioRender/Делеу М.