Соя, чьи семена содержат до 40% белка, является одной из важнейших масличных и белковых культур в мире. Однако производство сои сталкивается с различными биотическими стрессами, включая грибные, бактериальные, вирусные и оомицетные патогены. Среди них фитофторозная корневая гниль, вызываемая почвенным оомицетом Phytophthora sojae (P. sojae), является одним из наиболее разрушительных заболеваний культуры. Однако возможно активировать спящий защитный ген, который при первой же атаке патогена развернет настоящую оборонительную систему: заблокирует продвижение инфекции, выделит токсичные для врага антиоксиданты и спасет урожай от гниения.
Фитофторозная корневая гниль может поражать растения сои на протяжении всего периода роста. Заражение на ранней стадии вызывает гниение семян и загнивание всходов, тогда как заражение на более поздних стадиях приводит к корневой гнили, побурению стебля, хлорозу листьев, увяданию или гибели растения.
P. sojae демонстрирует высокое разнообразие патотипов и может сохраняться в почве в течение длительного времени. После того, как патоген укоренится в полях, его трудно контролировать, и он может сохраняться в течение длительного времени, представляя серьезную угрозу для устойчивого производства сои. Поэтому выведение устойчивых сортов является одной из наиболее экономичных и эффективных стратегий борьбы с болезнями, которая основана на выявлении и использовании генов устойчивости.
Китайские исследователи детально изучили работу особого гена под названием GmHIR1, который отвечает за клеточный иммунитет, и экспериментально доказали, что его экспрессия может защитить сою от упомянутого патогена. Они взяли за основу сою W82 (Williams 82) с помощью молекулярных технологий создали две противоположные группы: линии с гиперэкспрессией нужного гена и нокаут-мутантов, у которых этот ген вырезали с помощью генетических ножниц CRISPR/Cas9.
Williams 82 — эталонный сорт сои с первым полностью расшифрованным геномом, часто используемый в исследованиях. Этот сорт, выведенный в США в 1980-х, служит основой для функционального анализа генов благодаря своей изученности и генетической устойчивости к болезням.
После заражения P. sojae разница стала очевидной. Мутанты без гена GmHIR1 демонстрировали более крупные поражения, более высокую биомассу патогена и повышенную гибель клеток в местах заражения. В отличие от них, линии с гиперэкспрессией показали уменьшенный размер поражений, меньшее накопление патогена и более слабые сигналы окрашивания. Эксперимент наглядно доказал, что этот ген является главным позитивным регулятором иммунитета сои.
Затем исследователи провели сложнейший транскриптомный и протеомный анализ — то есть заглянули в карту работы всех РНК и белков в момент атаки. Оказалось, что усиленный ген GmHIR1 запускает масштабные изменения по цепочке. Первым делом он активирует кальциевые сигнальные пути, которые сообщают всему организму растения об опасности, и включает ферменты пероксидазы, контролирующие окислительный стресс. Растение начинает точечно уничтожать зараженные клетки, изолируя гриб и не давая ему расползаться дальше.
Параллельно с этим активированный ген ускоряет метаболизм флавоноидов и фенилпропаноидов — специальных природных защитных соединений, которые работают как естественные антибиотики и фунгициды. Они отравляют гриб и одновременно укрепляют стенки соседних здоровых клеток, делая их непроходимыми для инфекции. Это открытие дает селекционерам сои точного генного кандидата для создания устойчивых сортов.