В новом исследовании продемонстрирован революционный масштабируемый подход к идентификации функциональных иммунных рецепторов в различных линиях растений путем интеграции биоинформатики, синтетической биологии и биохимических подходов.
Ученые охарактеризовали SCORE – рецептор, который обнаруживает патогены и запускает иммунную защиту растений, а затем разработали его синтетические варианты, способные распознавать ранее необнаруживаемые патогены. Это открывает перспективную стратегию для разработки устойчивых к болезням сельскохозяйственных культур, особенно немодельных и многолетних видов, для которых традиционные генетические подходы остаются ограниченными.
Огромное количество рецепторов на поверхности растительных клеток воспринимает фрагменты патогенов и вызывает иммунный ответ. Каждый рецептор связывается со специфическими патогенными лигандами.
Исследователи под руководством Кена Ширасу из Центра науки об устойчивых ресурсах RIKEN (CSRS) в Японии проанализировали тысячи рецепторов распознавания патогенов у растений и выявили отдаленно родственные рецепторы со схожими лигандсвязывающими областями, которые конвергентно эволюционировали для обнаружения бактериальных белков холодового шока (CSP).
Выявив ключевые особенности белка, необходимые для связывания и изменения критически важных аминокислот, ученые сконструировали рецепторный белок с расширенным репертуаром опознавания патогенов, и это позволит применять новую стратегию в защите растений.
Растения, как и большинство организмов, воспринимают внешние стимулы посредством рецепторов, расположенных на поверхности клетки и состоящих из эктодомена, трансмембранного домена и цитозольного домена.
Экологические сигналы обычно распознаются эктодоменом, запуская активацию цитозольного домена и последующие сигналы.
Молекулы, ассоциированные с патогенами, распознаются классом рецепторов, известных как паттерн-распознающие рецепторы (PRR), которые запускают защитные реакции против патогенов и вредителей. Среди них лейцин-богатые повторы рецептор-подобных киназ (LRR-RLK) образуют одно из крупнейших семейств PRR у растений.
LRR-RLK диверсифицировались специфичным для каждой линии образом на протяжении эволюции наземных растений. Эти специфичные для каждой линии PRR могут передаваться между видами сельскохозяйственных культур, обеспечивая широкий спектр устойчивости к патогенам. Хотя генетические инструменты облегчают идентификацию PRR у модельных растений, их характеристика у немодельных видов, таких как деревья и многолетние культуры, остаётся сложной задачей.
Целью исследования было картирование ландшафта распознавания патогенов LRR-RLK и выявление неохарактеризованных PRR, которые могут быть модифицированы для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к болезням.
Для характеристики подгруппы XII LRR-RLK (LRR-RLK-XII) 13 185 рецепторов из 285 геномов покрытосеменных растений были сгруппированы на основе консервативных остатков в их эктодоменах LRR, что дало 210 подгрупп, которые представляют 31,7% всех идентифицированных рецепторов.
Чтобы идентифицировать те, которые реагируют на патогены, исследователи экспрессировали химерные рецепторы в модельном растении Nicotiana benthamiana, каждый из которых включал специфичный для подгруппы эктодомен LRR, слитый с цитозольным киназным доменом брассиностероидного рецептора, что позволяло специфически обнаруживать активацию PRR в ответ на патогены.
Из 210 исследованных химер семь были активированы Agrobacterium, включая рецептор 181 из Citrus maxima (помело), который реагировал на несколько видов бактерий.
Биохимический анализ показал, что рецептор 181 распознаёт белки холодового шока, в частности консервативный пептид csp15, и был обозначен SCORE (селективный рецептор белков холодового шока, Selective COld shock protein REceptor). csp15 так называется, поскольку включает 15 аминокислот.
SCORE отличается по специфичности распознавания лигандов от ранее описанного рецептора распознавания белков холодового шока CORE. Кроме того, SCORE и его ортологи, в основном обнаруженные у сапиндовых, мальвидовых и магнолиевых, проявляют различную специфичность к вариантам csp15 благодаря полиморфизму последовательностей.
«Мы обнаружили свыше 60 вариаций SCORE, специфичных для различных групп растений, и проследили его происхождение до последнего общего предка всех цветковых растений. Выяснилось, что многие растения, включая важные сельхозкультуры, имеют вариации этого иммунного рецептора. Это было особенно неожиданным открытием. Значительная естественная вариабельность распознавания белков холодового шока у ортологов SCORE из разных линий растений говорит о том, что данный тип иммунных рецепторов неоднократно эволюционировал для более точной настройки обнаружения патогенов посредством специфических замен аминокислот, а значит, подходит для синтетического конструирования», - рассказал соавтор работы Ясухиро Кодата.
Прогнозирование структуры белка и эксперименты по замене доменов позволили идентифицировать 10-й мотив LRR в белках холодового шока как ключевой для специфичности распознавания csp15, при этом три вариабельных остатка модулируют специфичность посредством взаимодействий с поверхностным зарядом.
Руководствуясь этими знаниями, исследователи сконструировали, путем замены некоторых аминокислот в csp15 на другие, синтетические варианты рецептора SCORE для обнаружения более широкого спектра патогенов, и это оказалось удачным в отношении Ralstonia, Xanthomonas, Candidatus Liberibacter asiaticus (возбудитель позеленения цитрусовых) и галловых нематод, которые не могут быть обнаружены SCORE дикого типа.
Первая работа была выполнена для помело. Следующим шагом, как пояснил первый автор исследования Бруно Пок Ман Нгу, будет внедрить модифицированные варианты SCORE в экономически важные виды сельхозкультур, чтобы обеспечить им широкий спектр устойчивости к разного рода патогенам и вредителям.
Источники: RIKEN, Science (2025), DOI: 10.1126/science.adx2508
На графике вы видите, как в общей сложности 13 185 LRR-RLK-XII были сгруппированы в 210 подгрупп. Эти рецепторы экспрессировались как химеры и были подвергнуты скринингу на активацию, индуцированную Agrobacterium. SCORE был идентифицирован как рецептор белка холодового шока (CSP), ортологи которого продемонстрировали полиморфное распознавание консервативного пептида CSP. Руководствуясь структурными и филогеномными данными, ученые сконструировали варианты SCORE для обнаружения различных патогенов и вредителей сельскохозяйственных культур. RCM – картирование сохранения повторов; WT – дикий тип.
