Устойчивость к гербицидам создает проблему для производства достаточного количества продовольствия для растущего населения планеты. Сэм Кейгилл и его коллеги из Института Грегора Менделя (GMI) Австрийской академии наук обнаружили, что большая группа растений, бриофиты, обладают естественной толерантностью к гербициду глифосату - то, что было известно только по неофициальным данным из садоводства.
Понимание механизма, посредством которого некоторые растения обладают естественной толерантностью к гербицидам, дает исследователям важную отправную точку для решения проблемы устойчивости к гербицидам в сельском хозяйстве.
Выращивание достаточного количества продовольствия, чтобы накормить мир, - это сложнейшая задача. Чтобы увеличить урожайность, фермерам нужно избавиться от сорняков, которые конкурируют с культурными растениями за солнечный свет, питательные вещества и пространство. В то время как садоводы могут позволить себе кропотливо полоть и мотыжить свои участки, чтобы держать сорняки под контролем, крупные фермеры прибегают к использованию гербицидов.
Однако сельское хозяйство сталкивается с той же дилеммой по поводу устойчивости к гербицидам, что и медицина по поводу устойчивости к антибиотикам: чем шире используется гербицид, тем выше вероятность того, что сорняк станет устойчивым, что даст ему возможность вытеснить и перерасти своих восприимчивых собратьев.
Глифосат - один из таких широко используемых и активно обсуждаемых гербицидов. Недавнее чрезмерное использование привело к появлению устойчивых к глифосату сорняков, которые снижают урожайность в некоторых частях Европы, Северной Америки и Австралии.
Однако отдельные данные свидетельствуют о том, что бриофиты, группа несосудистых растений, толерантны к глифосату, хотя эта толерантность не была подтверждена экспериментально, а потенциальный механизм толерантности неизвестен. Понимание такой естественной толерантности может обеспечить стратегию борьбы с устойчивостью к гербицидам.
В исследовании, опубликованном в Трудах Национальной академии наук, Сэм Кейгилл и Лиам Долан из GMI экспериментально показывают, что мохообразные - группа малоизученных растений, в которую входят печеночники, роголистники и мхи - действительно могут переносить глифосат и даже лучше расти при воздействии этого гербицида.
Глифосат убивает большинство сосудистых сорняков, ингибируя фермент EPSP-синтазу, который, в свою очередь, нарушает синтез аминокислот и выработку белка.
Кейгилл, аспирант Оксфордского университета, работающий в GMI, предположил, что бриофиты могут быть толерантны к глифосату, обходя EPSP-синтазу: если бы для синтеза аминокислот у бриофитов был доступен альтернативный путь к EPSP-синтазе, бриофиты могли бы по-прежнему производить белки и продолжать расти даже при воздействии глифосата.
Объединив знания, полученные из баз данных ДНК, с прогнозированием структуры на основе ИИ, Кейгилл идентифицировал MurA как фермент, который структурно и функционально похож на EPSP-синтазу. В то время как гены MurA присутствуют во всех бриофитах, и все протестированные бриофиты были устойчивы к глифосату, MurA отсутствует в цветковых растениях, которые чувствительны к глифосату.
Затем исследователи экспериментально проверили, может ли MurA обеспечивать толерантность к глифосату. Сверхэкспрессия MurA в бриофите маршанции изменчивой или полиморфной (Marchantia polymorpha) сделала растения более толерантными к глифосату, чем контрольные растения с неизмененным уровнем MurA.
Если посмотреть на другую сторону медали, M. polymorpha, которые были генетически изменены для экспрессии нефункциональной версии MurA, были менее толерантны к глифосату, чем контрольные растения.
Если MurA необходим для толерантности к глифосату, то исследователи задались вопросом, может ли введение MurA в растения, которые по своей природе чувствительны к глифосату, также придать устойчивость к гербициду?
Сосудистое модельное растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) обычно не экспрессирует MurA и чувствительно к глифосату. Введение MurA в Arabidopsis thaliana действительно сделало генетически измененные растения устойчивыми к глифосату.
Показав, что MurA отвечает за устойчивость бриофитов к глифосату, команда объединилась с Томасом Кёхером из центра метаболомики VBCF, чтобы понять, как именно MurA обеспечивает устойчивость к глифосату.
Используя высокочувствительную масс-спектроскопию, исследователи проверили, производит ли MurA тот же небольшой состав EPSP, что и EPSP-синтаза. Действительно, команда показала, что и MurA, и EPSP-синтаза катализируют производство одного и того же продукта, EPSP.
Таким образом, MurA обеспечивает альтернативный путь, который может поддерживать производство аминокислот и синтез белка в бриофитах, даже когда EPSPS ингибируется глифосатом. Это открытие было неожиданным, так как канонически считалось, что только EPSP-синтаза производит EPSP.
«Одно дело - открыть существующий в природе механизм, объясняющий, почему некоторые растения устойчивы к глифосату. Другое дело - открыть новый этап в биосинтезе аминокислот. Открытие Сэма и Томаса подчеркивает важность включения разнообразия организмов в наши исследовательские программы. Естественный отбор создал разнообразие. Мы не должны ограничивать наши горизонты, пренебрегая этим разнообразием», - говорит Долан, старший руководитель группы и заместитель научного директора GMI.
Неожиданное открытие подчеркивает, почему традиционно малоизученные организмы, такие как мохообразные, могут дать ключ к пониманию фундаментальных вопросов биологии. Кроме того, оно же может привести к появлению новых стратегий по снижению устойчивости сорняков к гербицидам.
Источник: Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI). На фото - Marchantia polymorpha, которая устойчива к обработке гербицидом глифосат. Автор фото: Йоханнес Хлох /GMI.
