Крошечный молекулярный триггер, который может спасти важнейшую продовольственную культуру мира
Новое исследование, опубликованное в престижном журнале *Science*, раскрыло неизвестный ранее молекулярный триггер. Этот механизм активирует иммунный ответ пшеницы на опаснейшее заболевание — стеблевую ржавчину. Работу возглавил доцент Бранде Вульфф из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST), Саудовская Аравия. В исследовании участвовали ученые с пяти континентов, включая специалистов из Центра Джона Иннеса (Великобритания), CSIRO (Австралия), Университета Миннесоты (США) и Орхусского университета (Дания). Их открытие проливает свет на первые события, запускающие защиту растения.
Опасный враг пшеницы
Пшеница — одна из ключевых продовольственных культур на планете. Она обеспечивает около 20% калорий, потребляемых человечеством. Однако урожаи пшеницы постоянно находятся под угрозой из-за грибковых заболеваний. Стеблевая ржавчина, вызываемая грибком *Puccinia graminis f. sp. tritici* (Pgt), считается одной из самых разрушительных болезней. Исторически эпидемии стеблевой ржавчины приводили к огромным потерям урожая. Хотя успехи “Зеленой революции”, связанные с выведением устойчивых сортов, помогли сдержать болезнь, она не исчезла.
Появляются новые, более агрессивные расы грибка, такие как Ug99. Эти расы способны преодолевать существующие гены устойчивости в сортах пшеницы. Потому ученые ведут постоянную гонку, пытаясь понять механизмы защиты растений и разработать новые методы борьбы.
Как растения защищаются?
Растения обладают сложной иммунной системой. Ключевую роль в ней играют так называемые гены устойчивости (R-гены). Эти гены кодируют белки-рецепторы, способные распознавать специфические молекулы патогена — эффекторы. Когда R-белок обнаруживает соответствующий эффектор, запускается защитная реакция. Часто она включает локальную гибель клеток в месте заражения (гиперчувствительный ответ). Это не дает патогену распространяться дальше по растению.
Одним из известных генов устойчивости к стеблевой ржавчине у пшеницы является ген Sr9b. Было известно, что он распознает эффекторный белок грибка под названием AvrSr9b. Однако точный механизм их взаимодействия оставался загадкой. Как именно Sr9b “узнает” AvrSr9b и запускает тревогу?
Прорыв в понимании иммунитета
Команда исследователей под руководством Бранде Вульффа смогла детально изучить это взаимодействие на молекулярном уровне. Используя передовые методы структурной биологии, включая криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ), и биохимические анализы, они добились прорыва.
Ученые обнаружили, что эффектор AvrSr9b напрямую связывается с определенным участком белка Sr9b — его киназным доменом. Киназы — это ферменты, которые могут добавлять фосфатные группы к другим белкам (процесс фосфорилирования). Это часто служит сигналом для активации или изменения функции белка.
Оказалось, что именно это связывание служит первоначальным молекулярным триггером иммунного ответа. Когда AvrSr9b присоединяется к киназному домену Sr9b, он активирует его. Активная киназа Sr9b затем запускает каскад реакций внутри клетки. В итоге это приводит к активации защитных механизмов растения.
“Мы очень рады, что смогли определить точную молекулярную основу взаимодействия AvrSr9b–Sr9b,” — говорит Вульфф. “Это первый случай, когда мы увидели, как эффектор патогена напрямую связывается с активной киназой R-белка и активирует ее”.
Значение для будущего сельского хозяйства
Это открытие имеет огромное значение. До сих пор селекционеры в основном полагались на генетическое картирование, чтобы найти R-гены. Но они не знали точно, как эти гены работают на молекулярном уровне. Теперь ситуация меняется.
Понимание этого молекулярного триггера и механизма активации открывает новые возможности:
1. Ускоренная селекция: Знание структуры взаимодействия поможет быстрее находить и проверять новые гены устойчивости.
2. Инженерия устойчивости: Можно попытаться модифицировать существующие R-гены. Например, сделать их способными распознавать новые варианты эффекторов от эволюционирующих патогенов.
3. Создание синтетических R-генов: В перспективе возможно создание совершенно новых генов устойчивости с заданными свойствами.
Эта работа — важный шаг к разработке более надежных и долговечных сортов пшеницы. Такие сорта смогут противостоять разрушительным болезням вроде стеблевой ржавчины. Это критически важно для обеспечения продовольственной безопасности в условиях растущего населения планеты и изменяющегося климата. Исследование подчеркивает силу международного научного сотрудничества в решении глобальных проблем.