Фермент, разрушающий клеточную стенку, играет ключевую роль в паразитизме растений и межвидовой прививке

Ученые из Университета Нагои и других исследовательских институтов Японии, используя модель паразитического растения Phtheirospermum japonicum из семейства Orobanchaceae, выяснили молекулярные механизмы, лежащие в основе паразитизма растений и межвидовой прививки. Они определили фермент β-1,4-глюканазу (GH9B3) как важный фактор обоих явлений. Таргетирование этого фермента может помочь контролировать паразитизм растений на сельскохозяйственных культурах. Кроме того, этот механизм можно использовать для новых методов межвидовой прививки для достижения цели устойчивых сельскохозяйственных технологий.

Растительный паразитизм — это явление, при котором растение-паразит прикрепляется и поглощает воду и питательные вещества из растения-хозяина с помощью специализированного органа, называемого «гаусторием». После формирования гаустория специфические ферменты помогают в образовании связи между тканями паразита и хозяина, известной как «ксилемный мост», который облегчает транспорт воды и питательных веществ.

Аналогичный механизм задействован в процессе искусственной прививки стеблей, при котором клеточные стенки двух разных растительных тканей в месте прививки истончаются и сжимаются. Это явление становится возможным благодаря специфическим ферментам, модифицирующим клеточную стенку. Модификация клеточной стенки также играет роль в паразитизме у разных линий паразитических растений.

Исследовательская группа под руководством доктора Кен-ичи Куротани предположила, что в процессах паразитизма и межвидовой прививки должны быть задействованы сходные гены и ферменты. Чтобы изучить молекулярные события, участвующие в клеточно-клеточной адгезии между P. japonicum и растением-хозяином, они проанализировали транскриптомы для паразитизма P. japonicum–Arabidopsis и прививки P. japonicum–Arabidopsis. Транскриптом — это полный набор РНК-транскриптов, которые геном организма производит в различных условиях. Результаты их экспериментов опубликованы в журнале Communications Biology издательства Springer Nature.

Сравнение транскриптомов паразитизма и прививки показало, что гены, связанные с заживлением ран, делением клеток, репликацией ДНК и синтезом РНК, были значительно повышены во время обоих событий, что указывает на активную пролиферацию клеток как в гаустории, так и на границе прививки.

Более того, было обнаружено совпадение между данными транскриптома из этого исследования и данными по прививке между Nicotiana и Arabidopsis. Гликозилгидролазы — это ферменты, которые специфически нацелены на расщепление целлюлозы, основного компонента растительных клеточных стенок. β-1,4-глюканаза, идентифицированная у P. japonicum, принадлежит к семейству гликозилгидролаз 9B3 (GH9B3). Фермент из того же семейства ранее был признан группой доктора Ногаучи решающим для клеточно-клеточной адгезии у Nicotiana.

Дальнейшие эксперименты показали, что P. japonicum с «заглушенным» геном GH9B3 мог формировать гаусторий с Arabidopsis, но не мог сформировать функциональный ксилемный мост. Это означает, что β-1,4-глюканаза P. japonicum необходима для паразитической активности растения. Кроме того, высокие уровни РНК-транскрипта GH9B3 наблюдались во время экспериментов по искусственной прививке, что доказывает интегральную роль фермента как в механизмах паразитизма, так и прививки.

Сгенерированные в этом исследовании данные транскриптома можно использовать для обнаружения дополнительных генов и ферментов, участвующих в растительном паразитизме. Дальнейшие исследования в этих направлениях помогут ученым разработать специфические молекулярные подходы для создания устойчивых альтернатив межвидовой прививке.

Статья «Host-parasite tissue adhesion by a secreted type of β-1,4-glucanase in the parasitic plant Phtheirospermum japonicum» была опубликована в журнале Communications Biology.