Ученые установили, как именно паразитические растения избегают нападений друг на друга, и это поможет защитить культурные растения от «зеленых вампиров».
Паразитические растения — это печально известные сельскохозяйственные вредители, которые истощают питательные вещества в урожае и ежегодно наносят экономический ущерб в размере более 1 миллиарда долларов США из-за снижения урожайности. Однако эти растения почти никогда не нападают сами на себя или на близкородственные растения. Ученые давно подозревали, что паразитические растения могут распознавать «родственников», но молекулярная основа этой самозащиты оставалась неясной.
Теперь группа исследователей из Нарского института науки и технологий (NAIST) в Японии раскрыла механизм, позволяющий паразитическим растениям отличать «свое» от «чужого». Результаты их исследований, опубликованные в журнале Science, указывают на новые стратегии защиты сельскохозяйственных культур от этих паразитических растений.
Исследование проводилось под руководством профессора Сатоко Йошиды, возглавляющей Лабораторию симбиоза растений, и включало в себя профессора Такаюки Тоге из NAIST, доктора Кена Ширасу из Центра устойчивых ресурсных исследований RIKEN и профессора Юки Тобимацу из Киотского университета.
«Паразитические растения, такие как стрига и заразиха, вызывают значительные потери урожая. Понимание их системы самораспознавания открывает путь к созданию сортов сельскохозяйственных культур, которые будут выглядеть как их сородичи и избегать нападения», — говорит Йошида.
Как паразитические растения поражают своих хозяев
Растения-паразиты проникают в организм хозяина, используя специализированный орган, называемый гаусторием, который соединяет их с сосудистой системой хозяина.
Формирование этого органа запускается химическими сигналами, известными как факторы, индуцирующие образование гаусторий (haustorium-inducing factors, HIF), которые образуются из лигнина — основного компонента клеточных стенок всех растений. Поскольку все растения, включая паразитов, производят эти сигналы на основе лигнина, возникает ключевой вопрос: как паразитические растения предотвращают запуск образования гаусторий на своих корнях собственными HIF?
Открытие гена самораспознавания
Для изучения этого вопроса исследователи исследовали полупаразитическое растение Phtheirospermum japonicum, известное также как вшивосемянник японский. Короткий жизненный цикл и простая генетика делают вшивосемянник японский ценным модельным организмом для паразитизма растений.
Ученые искали мутанты, неспособные избежать самопаразитизма, и идентифицировали мутант, названный спонтанным прегаусторием (spoh1), который формировал прегаустории на собственных корнях без каких-либо внешних сигналов, как будто он больше не мог узнавать себя.
Генетический анализ показал, что этот дефект является результатом мутации в единственном гене, PjUGT72B1, который кодирует фермент глюкозилтрансферазу.
Когда ученые ввели нормальную копию гена, мутантные растения перестали спонтанно формировать прегаустории. Когда ген PjUGT72B1 был удален, здоровые растения начали формировать прегаустории на собственных корнях, что показывает, что этот ген необходим для подавления неправильного развития гаусторий.
Механизм молекулярного переключения
Исследователи обнаружили, что PjUGT72B1 действует как молекулярный переключатель. Он присоединяет молекулу глюкозы к собственным HIF-белкам растения внутри его корней в процессе, называемом глюкозилированием. Эта модификация нейтрализует сигналы и предотвращает их активацию в процессе образования гаусторий.
У мутанта spoh1, у которого отсутствует этот фермент глюкозилтрансфераза, активные HIF накапливаются и вытекают наружу, вызывая образование на растении инвазивных структур.
Последствия для защиты урожая
Раскрывая механизмы подавления паразитическими растениями собственных сигналов, индуцирующих образование гаусторий, это исследование открывает новые возможности для защиты сельскохозяйственных культур. Стратегии, изменяющие производство HIF или глюкозилирование, могут помочь в разработке культур, которые естественным образом отпугивают паразитические сорняки.
«Различия в субстратной специфичности UGT72B1 между паразитом и хозяином позволяют различать родственных особей от потенциальных хозяев, что наводит на мысль о стратегии создания культур, которые будут фактически невидимы для паразитических сорняков», — говорит Йошида.
Источник: Nara Institute of Science and Technology.
На фото - поле, заросшее паразитическим сорняком стригой. Автор фото: Сатоко Йошида из Нарского института науки и технологий, Япония.