Вредители растений, такие как бактерии и грибы, приводят к значительным потерям урожая в сельском хозяйстве. Для разработки новых стратегий против таких патогенов центральное значение имеет понимание иммунного ответа растений.
Группа ученых под руководством профессора биологии Йорга Кудлы из Мюнстерского университета выявила важные компоненты и механизмы молекулярного аппарата, который передает информацию о встрече патогена в растительном организме, пишет Кристина Хоппенброк в релизе Мюнстерского университета.
Исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Science Advances, также дает представление о том, как растениям удается передавать иммунные сигналы от клетки к клетке, не нарушая другие сигнальные цепи в пораженных клетках.
При заражении растений патогенами у них формируется двухфазный иммунный ответ, который сначала развивается непосредственно в месте заражения, а затем распространяется по всему организму. Это подготавливает ранее нетронутые части растения к возможной атаке.
Сигналы кальция играют важную роль в этом процессе. Когда ткань растения повреждается патогеном, это запускает сигналы кальция, которые затем передаются от клетки к клетке. Кроме того, клетки используют НАДФН-оксидазу (фермент в клеточной мембране, NADPH-оксидаза (NOX)) для высвобождения активных форм кислорода в качестве дополнительных сигнальных молекул, которые затем взаимодействуют с сигналами кальция, обеспечивая системное распространение иммунного ответа.
До сих пор исследователи не до конца понимали это взаимодействие между кальцием и активными формами кислорода, а также регуляцию НАДФН-оксидазы посредством кальций-зависимого фосфорилирования.
Команда Кудлы впервые продемонстрировала, что две разные киназы, обе из которых активируются кальцием, должны работать вместе, чтобы способствовать эффективной пролиферации системного иммунного сигнала. Этот «модуль бикиназы» сенсибилизирует НАДФН-оксидазу к кальцию и обеспечивает синергическую активацию этого фермента, который затем производит больше активных форм кислорода.
Одна из двух кальций-зависимых киназ уже была известна, а вторая была идентифицирована командой в рамках недавно опубликованного исследования. «Такой активируемый кальцием би-киназный модуль никогда ранее не был описан», - объясняет Кудла.
На основании своих наблюдений биологи предложили модель, подробно описывающую механизмы системной иммунной сигнализации у растений: изначально под воздействием патогена третья киназа внутри инфицированной клетки запускает генерацию внеклеточных активных форм кислорода в клетке, которые затем диффундируют на поверхность соседних клеток.
До этого момента процесс был понятен. Теперь команда обнаружила, что эти активные формы кислорода не только запускают новые сигналы кальция в соседних клетках, но и активируют кальций-зависимый модуль бикиназы, который, в свою очередь, активирует высвобождение активных форм кислорода .
Это вызывает возобновление притока кальция в соседние клетки. Таким образом, сигнал распространяется без того, чтобы пораженные клетки сами вступали в контакт с патогеном. «Удивительно, но мы наблюдали, что интенсивность движущегося кальциевого сигнала относительно слаба, но все же достаточна для активации НАДФН-оксидазы через модуль бикиназы. Вероятно, это вызвано сенсибилизацией этого фермента. Мы выяснили молекулярные механизмы этой сенсибилизации», - говорит Кудла.
«Мы также подозреваем, что это позволяет этому слабому кальциевому сигналу распространяться от клетки к клетке, не нарушая другие сигнальные кальций-зависимые процессы, которые одновременно происходят в этих клетках». Как именно клетки регулируют силу кальциевого сигнала, пока неизвестно», - добавил он.
Для своего исследования команда объединила различные молекулярно-генетические, клеточно-биологические и биохимические методы. Исследование распространения кальциевых сигналов в тканях проводилось на трансгенных модельного растениях резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana), в которых исследователи анализировали биосенсорные белки на кальций с помощью микроскопии высокого разрешения. Для дальнейших исследований использовались культуры клеток человека, в которых был реконструирован растительный сигнальный путь.
В проекте также участвовала группа профессора Ирис Финкемайер из Мюнстерского университета. Другие авторы являются членами исследовательской группы, возглавляемой профессором Тиной Ромейс (ранее в Свободном университете Берлина, а сейчас в Институте биохимии растений имени Лейбница в Галле).
Источник: University of Münster. Автор: Кристина Хоппенброк.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.