Устранение недавно обнаруженной уязвимости в сигналах, которые цистообразующие нематоды используют для заражения корней растений, будет эффективным методом снижения ущерба, наносимого паразитическими червями такой важнейшей культуре как соя.
По словам Томаса Баума, выдающегося профессора фитопатологии, энтомологии и микробиологии в Университете штата Айова, исследователи выявили у цистообразующих соевых нематод один белок, который запускает десятки химических сигналов, называемых эффекторами, которые микроскопические круглые черви выделяют внутри корней, чтобы захватить клетки растений и создать в них свою питательную базу.
Этот белок - фактор транскрипции, который связывается с генами, включая или выключая их, - вероятно, является одним из нескольких белков, регулирующих выработку эффекторов, исследователи обнаружили, что без него заражение нематодами значительно снижается, согласно исследованию, опубликованному в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Открытие ведет к значительному прогрессу в снижении вредоносности соевых цистообразующих нематод, самых опасных вредителей для этой культуры.
«Теперь у нас есть проверенная цель, ощутимое молекулярное событие, включающее один фактор транскрипции. Это доказательство концепции, которое открывает дверь различным новым способам мышления о контроле нематод», - сказал Баум, соавтор исследования.
В течение многих лет нематологи, такие как Баум, изучали эффекторы в надежде, что нацеливание на них может снизить уровень заражения цистными нематодами, которые также распространены в других культурах, таких как сахарная свекла и картофель. Эти усилия были чем-то вроде игры в прятки. Нематоды производят сотни различных эффекторов, обеспечивая избыточность и способность к быстрой адаптации.
«Уберите один эффектор, и нематода рассмеется и скажет: «У меня их стало еще 10»», - говорит исследователь.
Однако эффекторы являются ключевым молекулярным механизмом для вторжения нематод в корни растений. Нематоды - это сложные патогены, которые после вылупления в почве прокладывают себе путь в корень. Оказавшись внутри, они ищут одну клетку, чтобы захватить ее. Когда они находят то, что ищут, то начинают не с питания, а с общения.
«Язык, который они используют, - это химикаты, а не слова. Эффекторы доставляют сообщение растительной клетке, и она меняется, превращаясь в тип клеток, который обычно не встречается в корне сои. Затем все соседние клетки изменяются, и они сливаются вместе, образуя огромный новый орган, единственной функцией которого является кормление червя»», - поясняет Баум.
Поскольку индивидуальные усилия по воздействию на отдельные эффекторы не приносят большого эффекта, исследователям пришлось копать глубже.
Цистообразующие нематоды производят свои эффекторы в своих пищеводных железах. В предыдущих исследованиях лаборатория Баума секвенировала как весь геном нематоды соевой цисты, так и транскриптом ее железистых клеток, который документирует экспрессию РНК с течением времени. Сравнивая два набора данных, исследователи могут идентифицировать гены, ответственные за эффекторы нематоды и их продукцию.
Баум получил такие же данные от своего близкого коллеги из Кембриджского университета в Соединенном Королевстве Великобритания, который изучает нематоду сахарной свеклы, почти идентичную нематоде сои.
Сотрудничающая исследовательская группа под руководством Себастьяна Эвес-ван ден Аккера основывалась на данных, используя метод анализа генной сети для идентификации фактора транскрипции в железах нематоды, который активируется при производстве эффекторов. Их анализ показал, что 58 эффекторных генов активируются этим фактором транскрипции, который они называют регулятором субвентральной железы (SUGR-1).
Но что активирует SUGR-1? Согласно экспериментам группы Эвес-ван ден Аккера, это происходит из-за сигналов от корней, которые исследователи назвали эффектостимулинами. Это объясняет, почему SUGR-1 активировался, когда исследовательская группа Университета Кембриджа подвергла его воздействию корневых экстрактов из растений, которые являются известными хозяевами нематод.
«Для меня самое интересное в этой работе- самоусиливающийся цикл, приводящий к заражению растений нематодами. Они разрушают растительные клетки, чувствуют некоторые высвобождаемые сигналы и реагируют таким образом, что это увеличивает их способность разрушать клетки-хозяева», - сказал Эвес-ван ден Аккер.
В настоящее время севооборот и сорта, выведенные с определенной устойчивостью к нематодам, являются основными мерами контроля для управления нематодами сои. Улучшение понимания того, как нематоды обманывают растения, превращая их в добровольных хозяев, должно в конечном итоге расширить этот набор инструментов, считает Баум.
Селекционные компании могли бы разработать генетически модифицированные сорта сои для производства РНК, которая после потребления нематодами предотвращает активацию SUGR-1. Блокирование эффектостимулинов с помощью химической обработки, редактирования генов или селекции является еще одним вариантом. Методы не должны быть всеобъемлющими, поскольку простое снижение вирулентности будет иметь значение.
«С нематодами вам не обязательно убивать каждого червя. Если я снижу заражение на 40%, это будет большим достижением. Это действительно уменьшит ущерб урожаю», - сказал Баум.
Результаты исследования также имеют потенциал для ветеринарии и лечения людей, поскольку различные виды нематод являются вредоносными паразитами у животных.
Баум и Эвес-ван ден Аккер планируют продолжить совместную работу по исследованию цистообразующих нематод, поскольку это плодотворное партнерство длится уже много лет, добавил Баум.
«Если бы вам нужно было разработать способ взаимодействия с научным сотрудником, то это было бы примерно так. Вы опираетесь друг на друга и свободно делитесь информацией, чтобы добиться прогресса», - сказал он.
Баум заявил, что будущие исследования позволят больше узнать о генетической и молекулярной механике производства эффекторов, что должно предложить дополнительные способы нарушения важной сигнализации между цистообразующими нематодами и их растениями-хозяевами. «SUGR-1 - это только первый, кто появился на прицеле. Но мы знаем, что есть и другие. Это только начало. Будет много целей», заключил исследователь.
Источник: Iowa State University.
На фото - голова цистообразующей нематоды, рассматриваемая через мощный микроскоп, чтобы показать ее пищеводные железы, которые производят эффекторы, используемые ею для заражения растений-хозяев. Изображение было отредактировано в цифровом виде, чтобы выделить железы. Субвентральные железы, ответственные за SUGR-1, окрашены в синий цвет. Авторы фото: Том Майер и Томас Баум/Университет штата Айова.