Структура защитного белка пшеницы расшифрована — важный инструмент в борьбе за продовольственную безопасность
Учёные из Института селекции растений Общества Макса Планка и Кёльнского университета (Германия) вместе с коллегами из Китая выяснили, как пшеница защищается от смертоносного патогена. Их результаты, опубликованные в журнале Nature, могут быть использованы для повышения устойчивости важных сельскохозяйственных культур к болезням.
Пшеница — основной продукт питания для 40% населения мира. Одним из наиболее экономически значимых патогенов для неё является стеблевая ржавчина — опасный грибок, способный оказывать разрушительное воздействие на урожай.
Хотя в XXм веке удавалось предотвращать крупные эпидемии, в 1998 году в Уганде появился новый высоковирулентный вариант грибка — Ug99. Он может поражать до 80% мировых сортов пшеницы, что иногда приводит к полной потере урожая. В поисках устойчивости был идентифицирован ген Sr35, который защищает от Ug99 при внедрении в хлебную пшеницу.
Учёные под руководством Цзицзе Чая, Пауля Шульце-Леферта и Юйхан Чэня расшифровали структуру белка Sr35 пшеницы, объяснив механизм защиты.
Sr35 — это пример внутриклеточного рецептора растений типа NLR (nucleotide-binding leucine-rich repeat), который обнаруживает присутствие патогенов. Активация NLR запускается распознаванием эффекторных белков патогена. Каждый NLR обычно связывается с одним типом эффектора.
При активации Sr35 пять рецепторов собираются вместе в крупный белковый комплекс, который исследователи назвали "резистосомой Sr35". Такие резистосомы могут действовать как каналы в мембране растительной клетки. Эта активность запускает мощные иммунные реакции, кульминацией которых становится гибель клеток растения в месте заражения — самопожертвование для защиты всего растения.
В этом исследовании учёным впервые удалось определить структуру и описать иммунную функцию резистосомы у сельскохозяйственной культуры.
Исследователи синтезировали как Sr35, так и соответствующий ему эффектор Ug99 в клетках насекомых, что позволило выделить и очистить большое количество резистосом Sr35. Для определения структуры использовалась криогенная электронная микроскопия.
"В структуре Sr35 мы смогли идентифицировать те части белка, которые важны для распознавания эффектора Ug99. Надеюсь, что с этим знанием мы сможем создавать новые NLR для защиты элитных сортов пшеницы от Ug99", — говорит Александр Фёрдерер, ведущий автор исследования.
Обладая знанием структуры резистосомы Sr35, исследователи попытались перепрофилировать нефункциональные рецепторы восприимчивых элитных сортов ячменя и пшеницы для распознавания эффектора Ug99. Они выбрали два белка, похожих на Sr35, но не распознающих Ug99. Заменив в них элементы Sr35, которые контактируют с эффектором Ug99, учёные превратили эти белки в рецепторы для эффектора Ug99.
"Это исследование также иллюстрирует, как природа использовала общий принцип для построения иммунных рецепторов. При этом рецепторы эволюционировали так, что сохранили гибкость для генерации новых вариантов, обеспечивающих иммунитет к другим патогенам", — отмечает Пауль Шульце-Леферт.
Как указывает Цзицзе Чай, полученные в ходе исследования данные "открывают возможность улучшить устойчивость сельскохозяйственных культур путём конструирования растительных защитных белков, распознающих целый ряд различных эффекторов патогенов".