Кажется, что растение салата беззащитно против патогенов, но на каждом листе идет постоянная борьба. Грибы, бактерии и другие патогены постоянно ищут способы проникнуть в растение. В то же время растение пытается распознать их, прежде чем станет слишком поздно. Биологи из Утрехтского университета выяснили, что происходит на самом деле.
Открытие, недавно опубликованное в журнале PNAS, проливает новый свет на гениальные защитные механизмы растений. В долгосрочной перспективе это может привести к созданию более сильных и устойчивых урожаев.
Салат-латук не может убежать от опасности. Он не может спрятаться от патогенов или отпугнуть вредных насекомых. И все же растения выживают сотни миллионов лет, в то время как окружающий их мир полон врагов. Как им это удается?
«Это, пожалуй, один из самых прекрасных вопросов в биологии растений. Растения кажутся пассивными, но на самом деле они постоянно следят за окружающей средой», — говорит биолог Гвидо ван ден Аккервекен, профессор трансляционной биологии растений в Утрехтском университете. Термин «трансляционная» биология в названии означает перенос базовых научных открытий из университетских лабораторий на реальные поля и их внедрение в коммерческую селекцию культур.
В настоящее время Гвидо ван ден Аккервекен также является научным директором (Scientific Director) крупного национального голландского института CropXR. Консорциум объединяет университеты и бизнес для ускоренного создания сверхустойчивых культур (включая картофель) с помощью ИИ и анализа больших данных.
Исследование под руководством аспиранта Иньиго Баньялеса совместно с профессором Гвидо ван ден Аккервекеном и доцентом Дмитрием Лапиным на базе Утрехтского университета опубликовано в журнале PNAS.
Наш организм обладает врожденной иммунной системой, которая распознает захватчиков. У растений есть нечто подобное. На поверхности их клеток расположены тысячи так называемых рецепторов. Это молекулярные сенсоры, которые постоянно сканируют окружающую среду на наличие признаков, связанных с бактериями, грибами, оомицетами (такими как ложная мучнистая роса) и другими патогенами.
«Такой приемник можно сравнить с датчиком дыма, — говорит Ван ден Аккервекен. — Он не распознает сам пожар, а сигнал о том, что что-то не так. Как только такой приемник срабатывает, включается защитная система предприятия».
Исследователи из Утрехта хотели понять, как работает эта система сигнализации в салате-латуке.
Началось все с масштабного исследования. Вместе с коллегами Баньялес изучил почти двести различных сортов салата. Ученые проверили, как те реагируют на пептид NLP24: небольшой фрагмент белка, который многие патогены используют при атаке на растения. Некоторые растения сразу же забили тревогу, в то время как другие никак не отреагировали.
Это различие оказалось ключевым. Исследователи сравнили ДНК растений салата друг с другом. Таким образом, им в конечном итоге удалось идентифицировать единственный ген, ответственный за распознавание. Этот ген, который обеспечивает производство рецептора на поверхности растительных клеток, исследователи называют LNR (рецептор nlp24 салата).
Когда исследователи ввели этот ген в растение салата, которое от природы не обладает данным рецептором, произошло именно то, на что они надеялись: растение внезапно начало распознавать сигнал тревоги.
«Это стало решающим доказательством того, что мы нашли правильный рецептор», — говорит Ван ден Аккервекен.
Еще более удивительным оказалось то, что последовало дальше. Биологи уже знали, что модельное растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana ) способно распознавать почти тот же сигнал тревоги. Но исследователи из Утрехта обнаружили, что салат использует для этого совершенно другой тип рецепторов.
Иными словами: два совершенно разных вида растений, общие предки которых жили более 100 миллионов лет назад, независимо друг от друга нашли решение одной и той же проблемы.
«Эволюция фактически дважды совершила одно и то же изобретение, причем двумя разными способами. Это показывает, насколько важным, по-видимому, является распознавание белков NLP патогенами», — говорит Ван ден Аккервекен.
Для биологов это захватывающее открытие. Оно раскрывает кое-что новое о продолжающейся гонке вооружений между растениями и патогенами, которая длится миллионы лет.
Открытие стало еще интереснее, когда исследователи изучили, что именно распознает рецептор LNR салата. Оказалось, это крошечный фрагмент белка, который многие патогены используют во время атаки на растения. Этот фрагмент состоит из цепочки из семи аминокислот, так называемого гептапептидного мотива.
Именно этот фрагмент белка необходим патогену для атаки растений, как утверждает Ван ден Аккервекен: «Если патогены хотят обойти защиту растений, они не могут модифицировать этот фрагмент. В этом случае их собственные средства атаки перестают работать должным образом».
По мнению биологов, это делает данный рецептор особенно интересным, поскольку он нацелен на важнейший участок, где у патогенов практически нет места для маневрирования в процессе эволюции.
Означает ли это открытие, что вскоре ученые смогут сделать все сорта салата устойчивыми к болезням для продаж в супермаркете? И сможем ли мы тогда вскоре купить такой салат в супермаркете? По словам Ван ден Аккервекена, это произойдет не так быстро.
Исследователь отмечает, что не следует рассматривать это как единственное чудодейственное решение: «Это можно сравнить с обеспечением безопасности дома. Один замок немного помогает. Но если у вас несколько замков и хорошая система сигнализации, вы значительно усложняете задачу для воров. То же самое работает и с растениями. Сочетая различные защитные механизмы, вы затрудняете проникновение патогенов в растение и нанесение им вреда».
Биологи из Утрехта не сосредотачиваются исключительно на салате. Они уже продемонстрировали, что рецептор работает и на других культурах, например, на картофеле. Это важное свидетельство того, что подобные рецепторы потенциально могут усилить естественную защиту различных других культур в будущем.
Чтобы ускорить переход от научных исследований к созданию более устойчивых к внешним воздействиям сельскохозяйственных культур, биологи также подали заявку на патент на применение рецептора. Совместно с компаниями они изучают возможности дальнейшего развития этого открытия.
«Чем лучше мы понимаем, как растения распознают патогены, тем эффективнее мы сможем использовать эту естественную защиту. Но, пожалуй, самый прекрасный аспект этого открытия заключается в том, что оно показывает, насколько невероятно изобретательны растения на самом деле. Они кажутся тихими и уязвимыми, но на молекулярном уровне они постоянно следят за окружающей средой и защищают себя», заключил Ван ден Аккервекен.
Источник: Universiteit Utrecht.