Древний растительный белок открывает новый путь к устойчивости сельскохозяйственных культур к широкому спектру патогенов

от

Исследователи под руководством Кена Ширасу из Центра исследований устойчивых ресурсов (RIKEN CSRS) в Японии обнаружили древний белок, который может помочь защитить растения от десятков тысяч различных бактерий и других патогенов.

Этот рецептор, получивший название SCORE, распознаёт белок холодного шока, вариации которого встречаются более чем у 85% известных бактерий, а также у грибов и насекомых.

В экспериментах, опубликованных в журнале Science, показано, что замена ключевых участков SCORE на другие может предсказуемо изменить тип белка холодного шока, а значит, и патогена, который он распознаёт. Эту стратегию можно использовать для создания синтетического SCORE и предоставить растениям, особенно сельскохозяйственным культурам и деревьям, средство защиты от любых патогенов, которые их поражают.

Когда цветущие растения, такие как рис, пшеница, оливковые деревья и бамбук, заражаются патогенами, они становятся меньше и дают меньший урожай.

К счастью, у растений есть рецепторные белки, которые распознают молекулы патогенов, когда они подходят друг другу, что запускает иммунный ответ. Однако ни один иммунный рецептор не распознаёт все существующие и будущие патогены.

Тем не менее недавние исследования показали, что иммунные рецепторы, специфичные для растений из одной ветви семейства растений, такие как капуста и брокколи, могут быть перенесены в другую линию, например, к томатам и картофелю, давая им защиту, которой у них нет от природы.

Это звучит просто, но реальность такова, что из сотен тысяч возможных пар рецептор-микроб, существующих в природе, на сегодняшний день учёные идентифицировали менее десяти, и все они у модельных видов с хорошо известными геномами.

Не зная, какие рецепторы распознают какие микробы, мало что можно сделать для улучшения условий в полевых условиях. В своём новом исследовании Ширасу и его группа в RIKEN CSRS сосредоточились на разработке стратегии выявления этих пар.

Начало работы

Начав с более чем 1300 рецепторов из геномов 350 видов растений, исследователи в конечном итоге идентифицировали неизвестный иммунный рецептор у помело, распространённого цитрусового растения. Серия экспериментов показала, что этот рецептор реагирует на некоторые, но не на все, белки холодного шока. Исследователи назвали его «Selective COld shock protein REceptor», сокращённо SCORE.

Они определили, что SCORE распознаёт небольшой участок белков холодного шока — csp15, состоящий из 15 аминокислот. Замена некоторых аминокислот csp15 на другие изменила то, какой белок холодного шока мог распознавать SCORE.

Детальный анализ генома показал, что большинство патогенов, кроме вирусов, производят по крайней мере один тип белка холодного шока. Сравнивая виды, команда обнаружила, что хотя большинство из 15 аминокислот в csp15 сохраняются у разных видов, позиции 6, 7, 14 и 15 в последовательности сильно различаются.

Исследователи также обнаружили более 60 вариаций SCORE, специфичных для разных линий растений, и проследили его происхождение до последнего общего предка всех цветковых растений. Это означает, что у многих растений, которые мы используем в пищу, есть вариации этого иммунного рецептора.

«Это было особенно неожиданным открытием», — объясняет соавтор Ясухиро Кодата. «Обширная естественная вариабельность в распознавании CSP среди ортологов SCORE из разных линий растений позволяет предположить, что этот тип иммунного рецептора неоднократно эволюционировал для точной настройки обнаружения патогенов посредством специфических замен аминокислот».

Анализ всех различных SCORE выявил специфические участки в их аминокислотной последовательности, которые различаются от линии к линии, и на основе заряда можно было предсказать, какие csp15 может распознавать данный SCORE.

Следующим логическим шагом было создание новых версий SCORE, которые распознают различные патогены, путём замены ключевых участков на альтернативные. Например, хотя естественный SCORE помело не распознаёт белок холодного шока от видов бактерий Ralstonia, Erwinia или Xanthomonas, исследователи синтезировали новую версию SCORE, которая реагирует на все эти виды.

«В краткосрочной перспективе, — говорит Ширасу, — это исследование предоставляет новую основу для идентификации и создания иммунных рецепторов из немодельных растений, особенно долгоживущих многолетних растений, для которых генетические инструменты ограничены».

Первый автор Бруно Пок Ман Нгу добавил: «Наша следующая цель — внедрить сконструированные варианты SCORE в экономически важные виды сельскохозяйственных культур, чтобы обеспечить устойчивость к широкому спектру патогенов и вредителей. Это предлагает устойчивый подход к повышению устойчивости к болезням и вредителям в сельском хозяйстве и способствует глобальной продовольственной безопасности».

Предоставлено
RIKEN

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте