Когда растение кукурузы поражается грибом Ustilago maydis, вызывающим болезнь «пузырчатая головня», в месте инфекции образуются опухолеподобные разрастания ткани. Механизм, посредством которого патоген вызывает эту реакцию у растения-хозяина, долгое время оставался неизвестным. Но исследование Боннского университета показало, как гриб берет на себя функцию формирования боковых корней растения. Результаты исследования опубликованы в журнале New Phytologist.
Ustilago maydis поражает листья, стебли и метелки/початки кукурузного растения. В месте поражения образуются заметные галлы, которые могут достигать размеров детской головы. Гриб-паразит извлекает выгоду из этой реакции, поскольку массивный рост тканей отвлекает энергию и ресурсы, которые в противном случае были бы недоступны для защиты от патогена. Ustilago также получает выгоду от обильного снабжения питательными веществами, которые содержатся в тканях, благодаря чему он может размножаться.
«Долгое время оставалось неясным, как именно гриб вызывает образование галлов у своего хозяина, — говорит профессор Армин Джамей, заведующий кафедрой фитопатологии Института растениеводства и сохранения ресурсов (INRES) Боннского университета, чья исследовательская группа работает над раскрытием этого механизма. — Мы знали, что Ustilago производит сотни белков, которые воздействуют на кукурузу. «Концевые эффекторы» — один из типов этих белков».
Исследователи вставили в геном модельного растения Arabidopsis thaliana грибные гены, содержащие инструкции по формированию концевых эффекторов. Растение отреагировало, начав вырабатывать белки, которые обычно производятся этим грибом, что позволило выяснить точное воздействие этих молекул.
«Наши генетически модифицированные растения демонстрировали характерные аномалии в своих корнях, — рассказывает доктор Мамуна Хан, которая в основном проводила эксперименты. — Там они образовывали каллусы, то есть ткань с быстро размножающимися клетками. Каллусы состоят из стволовых клеток растений, которые в нормальных условиях активируются в процессе образования боковых корней, так что они начинают делиться». Проведя генетические эксперименты на кукурузе, ученые смогли показать, что это открытие, скорее всего, имеет отношение к естественному хозяину Ustilago maydis.
По-видимому, Ustilago использует функцию формирования боковых корней для ускорения клеточного деления в листьях кукурузы, что приводит к образованию галлов. Эта гипотеза подтверждается дополнительными данными, полученными группой исследователей, которые показали, что эффекторы на кончиках листьев регулируют образование различных факторов транскрипции, определяющих, какие гены экспрессируются и в каком количестве.
Известны факторы транскрипции, которые должны быть активированы для образования боковых корней. Исследователи изменили эти факторы в растениях кукурузы таким образом, что они перестали функционировать. При заражении Ustilago у этих растений образовывались лишь очень маленькие галлы. «Мы также провели сравнение с генами, активными в образовании галлов и развитии боковых корней у нормальных растений кукурузы, — поясняет Хан, — и обнаружили значительные сходства, которые не могут быть просто случайными».
Этот гриб, вызывая образование галлов, заполненных черной споровой массой, приводит к снижению урожайности, ухудшению качества зерна и даже гибели растения при сильном заражении, особенно молодых всходов, а также снижению питательной ценности силоса. Кроме того, у Ustilago maydis есть некоторые вредоносные родственники, головневые грибы, в борьбе с которыми нужны новые знания и идеи, как отмечает профессор Армин Джамей, который также работает в междисциплинарной исследовательской области «Устойчивое будущее» (TRA) и в кластере передовых исследований PhenoRob в Боннском университете: «Более глубокое понимание механизмов заражения потенциально позволит вывести сорта сельскохозяйственных культур, устойчивые к этим патогенам».
Источник: University of Bonn. Автор: Катрин Пиеха.
На фото. Галлы на кукурузе (слева). Изменения структуры тканей, вызванные инфекцией, видны под микроскопом (в центре). Когда у Arabidopsis thaliana (справа) образуется Tip4, вместо боковых корней появляются галлоподобные скопления недифференцированных клеток. Источник: исследовательская группа профессора Джамеи/Боннский университет.
