Галловые нематоды вызывают образование галлов на корнях растений, что является ключевой частью их жизненного цикла, но крайне вредно для растения-хозяина. Понимание молекулярных механизмов этой паразитической связи имеет решающее значение для разработки эффективных стратегий сопротивления. Учитывая экономические и экологические последствия заражения нематодами, существует острая необходимость в углубленных исследованиях генетического перепрограммирования, которое эти нематоды вызывают у своих растений-хозяев.
Группа исследователей из Университета Теннесси в сотрудничестве с другими экспертами опубликовала исследование в журнале Horticulture Research .
Из более чем 100 видов Meloidogyne, описанных на сегодняшний день, Megalaima incognita является наиболее распространенным в мире и вредоносным видом. Эти высокополифагные нематоды вступают в сложные взаимодействия с растениями-хозяевами, что приводит к образованию постоянного места питания, известного как гигантские клетки, для поддержки развития и созревания нематод.
Инфекционные личинки второй стадии J2 проникают в корни растений в области кончика корня, мигрируют межклеточно и выбирают несколько клеток сосудистого цилиндра в качестве потенциальных клеток питания. Если эти клетки совместимы, инфекционные J2 становятся малоподвижными и направляют эти клетки к увеличению в размерах посредством повторяющегося митоза без цитокинеза, образуя многоядерные и метаболически гиперактивные гигантские клетки.
Образование гигантских клеток стимулирует соседние клетки делиться асимметрично беспорядочным образом, что приводит к образованию узелкообразных вздутий, называемых галлами, в месте заражения. Инфекционные J2 питаются гигантскими клетками и линяют на личинок третьей стадии (J3), личинок четвертой стадии (J4) и, наконец, на взрослых самок, откладывающих сотни яиц внутри яйца
Считается, что идентичность галлов, вызванных нематодами, и гигантских клеток устанавливается посредством специфического транскрипционного перепрограммирования, которое опосредовано широким набором факторов транскрипции в дополнение к другим транскрипционным и посттранскрипционным регуляторам.
Программирование транскриптома, вызванное M. incognita, в растениях-хозяевах было задокументировано в нескольких исследованиях, предоставляя интересную информацию о важности сигнализации фитогормонов, подавления защитных реакций, организации цитоскелета, транспорта растворенных веществ, модификаций клеточной стенки, регуляции метаболических путей для успешного паразитирования нематод на растениях-хозяевах.
Однако большинство этих исследований транскриптома проводились с использованием целых тканей корня и, следовательно, не имеют высокого разрешения, необходимого для углубления понимания клеточных реакций на инфекцию M. incognita и молекулярных механизмов, лежащих в основе образования и развития галлов.
В этом исследовании ученые сосредоточились именно на молекулярных изменениях в растениях томата, вызванные заражением Meloidogyne incognita.
Исследование фокусируется на транскриптомных и сплайсомных реакциях растения как локально в галлах, так и системно в окружающих тканях, предоставляя всесторонний анализ того, как эти нематоды захватывают генетический аппарат растения, чтобы создать благоприятную среду для своего выживания.
Исследовательская группа провела тщательный анализ того, как растения томата реагируют на молекулярном уровне на заражение корневыми нематодами. Изучая транскриптом и сплайсом, они идентифицировали значительное количество дифференциально экспрессируемых генов (DEG) как в галлах, так и в прилегающих к ним тканях корня, что выявило сложную регуляторную сеть, запускаемую нематодами.
Исследование показало, что инфекция привела к скоординированным изменениям в экспрессии генов как в галлах, так и в соседних клетках, что подчеркивает сложную систему межклеточной коммуникации, которая поддерживает развитие нематод. Дальнейшее исследование альтернативных событий сплайсинга показало, как инфекция нематод модулирует сплайсинг пре-мРНК, влияя на функцию генов и разнообразие белков.
Проверка с использованием трансгенной системы волосистых корней продемонстрировала, что эти сплайсированные события играют решающую роль в образовании галлов и производстве яиц нематод, проливая свет на сложные молекулярные механизмы, посредством которых нематоды манипулируют своими растениями-хозяевами.
Доктор Тарек Хевези, автор-корреспондент исследования, поясняет: «Наше исследование предлагает беспрецедентный взгляд на генетическое перепрограммирование растений томата корневыми нематодами. Эти результаты не только расширяют наше понимание взаимодействия растений и паразитов, но и открывают новые возможности для разработки инновационных стратегий борьбы с этими разрушительными вредителями».
«Здесь мы определили изменения транскриптома и альтернативные варианты сплайсинга, вызванные Megalaima incognita в галлах и соседних корневых клетках на двух различных стадиях заражения. M. incognita вызвала существенные изменения транскриптома в корнях томатов как локально в галлах, так и системно в соседних клетках. Была обнаружена значительная параллельная регуляция экспрессии генов в галлах и соседних клетках, что свидетельствует об эффективных межклеточных коммуникациях, примером которых является подавление базальных защитных реакций, особенно на ранней стадии заражения. Анализ транскриптома также показал, что M. incognita осуществляет жесткий контроль над процессом клеточного цикла в целом, что приводит к повышению уровней плоидности в местах питания и ускорению митотической активности галловых клеток. Альтернативный анализ сплайсинга показал, что M. incognita значительно модулирует сплайсинг пре-мРНК, поскольку было идентифицировано в общей сложности 9064 дифференциально сплайсированных событий из 2898 генов, где были в значительной степени подавлены события удержания интрона и пропуска экзона. Кроме того, ряд дифференциально сплайсированных событий был функционально подтвержден с использованием трансгенной системы волосатых корней и было обнаружено, что они влияют на образование галлов и производство массы яиц нематод», пояснил он.
Последствия этого исследования далеко идущие, с существенным потенциалом применения в сельском хозяйстве. Понимая генетические механизмы, лежащие в основе реакции растений на заражение нематодами, исследователи могут разрабатывать культуры, которые будут более устойчивы к этим паразитическим вредителям. Такие достижения могут привести к снижению потерь урожая, повышению стабильности урожайности и более устойчивым методам ведения сельского хозяйства, в конечном итоге способствуя глобальной продовольственной безопасности и устойчивости сельского хозяйства.
Источник: Horticulture Research.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.
