В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе обнаружили, что растения используют удивительную многоуровневую систему для регулирования уровня салициловой кислоты и поддержания своей иммунной системы в норме.
Повышение уровня салициловой кислоты запускает выработку ферментов, расщепляющих этот гормон, но при выполнении своей работы ферменты сами помечаются для удаления, что ограничивает количество салициловой кислоты, которую они могут разрушить. Полученные результаты могут быть использованы для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к болезням и к изменениям окружающей среды.
«Благодаря такому многоуровневому контролю растения способны балансировать между иммунитетом и ростом, быстро реагируя на угрозы и избегая затрат на длительную защиту. Наше открытие может открыть двери для инноваций в сельском хозяйстве, позволив разработать новые способы точной настройки иммунитета сельскохозяйственных культур без ущерба для их роста», — сказал ведущий автор исследования Ницан Шабек, доцент кафедры биологии растений в Калифорнийском университете в Дейвисе, чья лаборатория объединяет биохимию и структурную биологию для изучения сигналов растений.
Раскрытие нового уровня контроля
Первая подсказка появилась несколько лет назад, когда исследовательская группа Шабека занималась картированием белков, взаимодействующих с системой убиквитина — механизмом, который клетки используют для переработки белков. В этом исследовании, опубликованном в журнале New Phytologist, команда с удивлением обнаружила два фермента, разрушающих салициловую кислоту (DMR6 и DLO1), в качестве потенциальных мишеней для убиквитина.
«Меня заинтриговала возможность того, что те же самые ферменты, которые отвечают за дезактивацию салициловой кислоты, сами разрушаются», — сказала первый автор Натали Хамада, которая руководила проектом в качестве аспирантки в лаборатории Шабека.
Для изучения этой возможности команда использовала ряд научных методов для исследования DMR6 и DLO1, включая структурную биологию, биохимию, генную инженерию и эксперименты по заражению растений.
Изучив трехмерные атомные структуры DMR6 и DLO1, исследователи смогли точно определить, как изменяется форма этих ферментов при взаимодействии с салициловой кислотой. При связывании DMR6 с салициловой кислотой его форма изменяется таким образом, что он становится мишенью для разрушения убиквитиновой системой. В отличие от этого, при связывании DLO1 с салициловой кислотой вероятность его воздействия на убиквитиновую систему снижается. Разница может заключаться в том, что DMR6 модулирует ранние иммунные реакции, тогда как DLO1, как полагают исследователи, вносит свой вклад на более поздних стадиях.
Далее, с помощью мечения и картирования взаимодействия DMR6 и DLO1 с другими белками исследователи обнаружили регуляторный белок, который помечает оба фермента для разрушения системой убиквитина. Этот белок, который они назвали DAF1, связывается с DMR6 сильнее в присутствии салициловой кислоты, что означает, что салициловая кислота запускает его собственную инактивацию.
Наконец, команда исследовала, как работает регуляторная система во время реальных бактериальных инфекций. Когда они генетически модифицировали табачные растения, лишив их гена DAF1, растения оказались более восприимчивыми к бактериальной инфекции. Напротив, когда они модифицировали растения, чтобы те производили больше DAF1, чем обычно, у растений появились признаки аутоиммунитета, что указывает на чрезмерную активность их иммунной системы.
«Это как качели: когда у растений нет DAF1, их иммунный ответ ослаблен, потому что DMR6 слишком эффективно удаляет салициловую кислоту, но когда они производят слишком много DAF1, они слишком эффективно расщепляют DMR6, а это значит, что в итоге у них образуется избыток салициловой кислоты. Регулирование регуляторов салициловой кислоты имеет решающее значение для успешного роста растений и балансировки приоритетов в условиях стресса», — сказал соавтор Джейкоб Мо-Ланге, работавший над проектом в качестве постдокторанта в лаборатории Шабека.
Выявление этого нового уровня регуляции салициловой кислоты может помочь повысить устойчивость сельскохозяйственных культур, позволив им более эффективно переключаться между ростом и формированием иммунного ответа. Предыдущие исследования показали, что генетическая модификация растений для снижения уровня DMR6 может повысить их иммунитет, но эта стратегия ухудшает рост растений и создает регуляторные препятствия, связанные с генетической модификацией. Воздействие на DAF1 может предложить более тонкий подход.
«Наши результаты потенциально могут быть использованы для тонкой настройки устойчивости растений к болезням и без применения генной инженерии. Например, возможно разработать молекулы, которые усиливают или подавляют взаимодействие между DMR6 и DAF1, что можно было бы стратегически применять к культурам, не содержащим ГМО», — сказала Хамада.
Источник: UC Davis. Автор: Лиана Уэйт.
На фото Ницан Шабек и его команда. Слева направо: научные сотрудники Сунхён Чанг и Джейкоб Мо-Ланге, Шабек и научный сотрудник Малати Палаям. Фото: Катрина Хуинь, Колледж биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе.
