Гриб Magnaporthe oryzae, вызывающий пирикуляриоз, является наиболее серьезным заболеванием культурного риса и распространился на пшеницу и ячмень в некоторых частях Азии и Африки. Инновационные решения для его предотвращения имеют важное значение для глобальной продовольственной безопасности.
Ежегодно пирикуляриоз уничтожает такое количество риса, которого хватило бы на пропитание 60 миллионам человек. В пшенице гриб, вызывающий пирикуляриоз, был впервые обнаружен в Бразилии в 1980-х годах и с тех пор распространился в Азию и Африку. В Великобритании его пока нет, но изменение климата означает, что в конечном итоге он может угрожать производству зерновых в Северной Европе.
Научно-исследовательская международная команда сделала значительный шаг в глобальных усилиях по защите зерновых культур от этого разрушительного патогена.
Исследователи из Центра Джона Иннеса изучили недавно обнаруженный класс рецепторов защиты растений, показав на молекулярном уровне, как они ограничивают атаки возбудителя пирикуляриоза и как их можно модифицировать с помощью биотехнологий для обеспечения более широкого и устойчивого иммунитета у пшеницы, ячменя и риса.
«Мы обнаружили нечто, что может привести к потенциальному вмешательству в борьбу с самым опасным грибным заболеванием зерновых культур», — заявил Марк Банфилд, профессор и руководитель группы в Центре Джона Иннеса, а также один из авторов исследования, проведенного совместно с исследователями из Университета Кобе в Японии.
Как растения распознают нападение
Для заражения растений патогены, такие как Magnaporthe oryzae, вводят эффекторы в клетки листьев и стеблей, чтобы манипулировать растением-хозяином и способствовать развитию болезни.
Растения обладают рецепторами, которые распознают эффекторы как чужеродные молекулы и запускают иммунный ответ, инициирующий локальную гибель клеток для ограничения распространения патогена по растению.
На протяжении более 30 лет значительная часть исследований была посвящена классу иммунных рецепторов, называемых нуклеотид-связывающими и богатыми лейцином рецепторами (Nucleotide-binding oligomerization domain-like Receptors, NLR). Они находятся в авангарде понимания иммунных реакций растений на пирикуляриоз и другие грибные заболевания.
Второй класс иммунных рецепторов: тандемные киназные белки
В последние годы исследования все чаще сосредотачиваются на новом классе внутриклеточных иммунных рецепторов, обнаруженных в злаковых культурах, называемых тандемными киназными белками (Tandem Kinase Proteins, ТКР).
Предыдущие исследования показали, что ТКР могут содержать интегрированный домен, связанный с тяжелыми металлами (Heavy-Metal-Associated, HMA), — особенность, также наблюдаемая в некоторых рецепторах NLR. Было доказано, что этот домен важен для распознавания эффекторов и запуска иммунного ответа.
«Это вызвало у нас интерес, — отметил Банфилд. — Если мы сможем модифицировать эти интегрированные домены HMA, придав им новые свойства путем изменения аминокислотного состава белка в местах связывания эффекторов, мы сможем получить то, что мы называем новой специфичностью распознавания, — и потенциально новую линию защиты растений от болезней».
Создание рецепторов, способных распознавать два эффектора
В этом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, группа ученых использовала биофизический анализ и кристаллографию для выявления с высоким разрешением структурного взаимодействия между доменами HMA и эффекторами патогенов, вызывающих пирикуляриоз.
Исследователи показали, как домены HMA играют решающую роль в ТКР, выступая в качестве биологических приманок для привлечения эффекторов патогенов.
Используя эти структурные знания, ученые успешно модифицировали иммунные рецепторы ТКР, придав им двойную специфичность — связывание с эффекторами, связанными с инфекцией как пшеницы, так и ячменя, что крайне редко встречается в природе.
Проверка устойчивости за пределами отдельных клеток
Демонстрируя, что тандемные киназные белки поддаются биоинженерии, данное исследование закладывает основу для дальнейших исследований многих недавно обнаруженных ТКР в различных зерновых культурах. Такая работа может привести к созданию специально разработанных рецепторов устойчивости к болезням, которые реагируют на несколько эффекторов одновременно.
В этих экспериментальных исследованиях, демонстрирующих принципиальную возможность применения метода, использовались протопласты — отдельные клетки пшеницы, служащие заменителями целых растительных тканей. Следующий шаг группы — перенести результаты экспериментов с использованием заменителей на растения, выращиваемые в теплице.
«Наше исследование показывает, что этот новый класс белков резистентности пригоден для инженерных целей. Теперь мы знаем, что инструменты, которые мы использовали ранее при инженерии рецепторов NLR, могут также работать с этим новым классом», — сказал доктор Даниэль Ю, первый автор исследования.
Будущее селекции: синергия биотехнологий и ИИ
Фундаментальное понимание связывания эффектора с рецептором может быть расширено за счет других технологий, таких как точное селекционное разведение и подходы искусственного интеллекта, которые могут помочь в биоинженерии придать доменам HMA новую специфичность.
«Мы считаем, что эти два класса иммунных рецепторов, NLR и ТКР, активируются, вероятно, по-разному, — добавил профессор Банфилд. — Это дает потенциал для более надежного иммунитета в полевых условиях, потому что вы не кладете все яйца в одну корзину. В будущем мы, возможно, сможем использовать методы, позволяющие объединять гены, кодирующие ТКР и NLR, для борьбы с одним и тем же заболеванием, создавая сверхустойчивую культуру. У них будут разные способы активации иммунитета, поэтому патогену, вероятно, будет сложнее эволюционировать и избавиться от них».
На фото вы видите компьютерное изображение комплекса структуры белка-рецептора пшеницы HMA/эффекторного белка. Рецептор пшеницы (Rwt7) расположен слева, а остатки интерфейса показаны цветными шариками, справа — эффектор Magnaporthe oryzae (Pwt7). Автор изображения: Даниэль Ю, Центр Джона Иннеса.
