В молчаливой войне, которая бушует миллионы лет, растения выработали сложный химический арсенал для борьбы с вторжением патогенов. Теперь команда исследователей из Пекинского университета и Университета Цинхуа наконец-то разработала схему одного из самых эффективных природных средств защиты, решив биологическую загадку, которая ставила ученых в тупик почти полвека. Это означает появление новых биопестицидов.
Исследование, опубликованное в журнале Cell, раскрывает, как некоторые растения производят мощное соединение, известное как дебнейол. Впервые обнаруженный в 1979 году в табаке и перце, дебнейол является природным антибиотиком, вырабатываемым растениями в условиях стресса. Хотя он давно известен своей мощной способностью уничтожать широкий спектр грибов и бактерий, точные инструкции по его синтезу оставались секретом до настоящего времени.
Дебнейол — это органическое соединение из класса сесквитерпеноидов (сесквитерпеновых фитоалексинов). Дебнейол вырабатывается в тканях растения в ответ на вторжение патогенов — грибов, бактерий или вирусов. Он обладает широким спектром фунгицидного действия, подавляя развитие болезнетворных микроорганизмов. Растения экономят энергию, активируя химический щит с дебнейолом лишь в момент реальной атаки, за что отвечает особый генетический переключатель.
Прорыв произошел, когда команда профессора Лэй Сяогуана из Пекинского университета и команда профессора Лю Юле из Университета Цинхуа идентифицировали три специфических фермента, составляющих ядро производственной линии дебнейола: EAS, EAE и EH1.
Однако настоящим сюрпризом стало открытие белка под названием MCD1, регулируемого молекулярным переключателем, известным как miR1919. Исследователи обнаружили, что MCD1 действует как «организатор метаболизма». Вместо того чтобы позволять ферментам бесцельно плавать внутри растительной клетки, MCD1 физически объединяет их в единую высокоэффективную производственную единицу, называемую «метаболоном».
Такая пространственная организация создает то, что ученые называют каналированием субстрата. Группируя ферменты в плотный комплекс, растение может передавать химические строительные блоки непосредственно с одной стадии на другую. Это предотвращает трату сырья на другие, менее эффективные защитные механизмы, обеспечивая быстрое массовое производство химического щита в момент атаки.
Последствия для будущего сельского хозяйства значительны. Исследование подтвердило, что растения, оснащенные этой оптимизированной системой защиты, демонстрируют необычайно широкий спектр устойчивости, то есть они могут одновременно противостоять вирусам, грибам и бактериям.
Это исследование предоставляет селекционерам новый инструментарий для создания «суперкультур», требующих значительно меньшего количества химических пестицидов. Возможность воссоздать весь этот метаболический путь не только в лабораторных условиях, но и перенести его в поле, открывает двери для использования синтетической биологии для производства дебнейола в промышленных масштабах, что потенциально может привести к созданию новых типов биопестицидов.
«Почти полвека эта химическая защита оставалась своего рода „черным ящиком“ в биологии растений. Раскрыв, как белок MCD1 организует ферменты в высокоскоростной конвейер, мы наконец-то получили план, который поможет сельскохозяйственным культурам защитить себя от множества угроз без необходимости применения сильнодействующих химических средств», — говорит профессор Лей.
Эта работа представляет собой значительный шаг вперед в нашем понимании того, как природный мир использует химию для выживания. Она предлагает более устойчивый путь к обеспечению глобальной продовольственной безопасности, позволяя учиться у тех самых растений, которые защищали себя на протяжении тысячелетий.
Источник: Peking University.