Полезные грибы переписывают правила инфекции, защищая корни растений от болезней

Учёные обнаружили, что полезные грибы, обитающие в корнях, повышают устойчивость растений к болезням, изменяя клеточную мембрану растения в местах заражения патогеном. Это даёт ключевое новое понимание того, как растения координируют защиту в сложных естественных условиях.

Исследование показывает, что мембранный интерфейс между клетками растений и вторгающимися микробами-патогенами не является фиксированным. Вместо этого он может быть преобразован совместно колонизирующими симбионтами, что коренным образом меняет взаимодействие растений с патогенами и потенциально повышает устойчивость к болезням.

Исследование опубликовано в журнале Cell Reports.

Более 80% наземных растений, включая многие сельскохозяйственные культуры, образуют партнёрства с арбускулярными микоризными (AM) грибами для улучшения поглощения питательных веществ. Известно, что эти грибы-мутуалисты также помогают растениям противостоять болезням, но механизмы этого защитного эффекта оставались неясными.

Исследователи из Sainsbury Laboratory, Cambridge University (SLCU) показали, что когда корни растений предварительно колонизированы AM-грибами, растение изменяет мембрану вокруг последующих патогенов, вторгающихся в клетки.

Вместо формирования обычной патоген-ассоциированной экстрагаусториальной мембраны (EHM), растение производит мембрану со свойствами, подобными мембране, окружающей AM-грибы. Этот переход совпадает с повышением устойчивости к болезням. Работа подчёркивает, что AM-грибы подготавливают защиту корней на клеточном и молекулярном уровне, влияя на состав и идентичность этих специализированных мембранных интерфейсов.

В исследовании использовали Nicotiana benthamiana (вид табака), который может быть хозяином полезного AM-гриба Funneliformis mosseae и позже заражаться разрушительным фитопатогенным оомицетом Phytophthora palmivora.

Дружественные грибы меняют правила игры, изменяя клеточный интерфейс растения

Это первая демонстрация того, что AM-грибы могут изменять EHM патогена, который прибывает позже.

Исследование под совместным руководством доктора Алекса Гийона и профессора Себастьяна Шорнака показывает, что AM-грибы могут эффективно переопределить нормальное различие между мутуалистическими и патогенными интерфейсами.

«Мы обнаружили, что стратегия патогена полностью провалилась в присутствии мутуалиста», — сказал доктор Гийон. «В этих совместно колонизированных корнях мембранная идентичность патогена была перепрограммирована и теперь содержала новый сигнальный липид и мембранно-связанные белки».

Это преобразование совпало со значительным сокращением колонизации патогеном.

«Эти выводы коренным образом меняют наш взгляд на иммунитет и симбиоз растений», — сказал профессор Шорнак. «Они показывают, что давно установленный симбиотический процесс формирования определённого состава мембраны может пересилить попытки патогена манипулировать клеткой хозяина».

AM-грибы не только улучшают питание растений, но и укрепляют их защиту от патогенов. Понимание того, как они усиливают устойчивость к болезням, открывает новые возможности для использования полезных грибов в качестве естественных агентов биоконтроля для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур.

Как проводилось исследование

Чтобы лучше отразить естественные условия, исследователи использовали Nicotiana benthamiana, которая может одновременно содержать как AM-грибы, так и патогенные оомицеты.

Для отслеживания изменений в клеточных мембранах хозяина в реальном времени команда разработала и охарактеризовала репортёрные линии фосфолипидов в N. benthamiana, интегрировав биосенсоры фосфолипидов.

Исследователи изучили роль фосфоинозитидов (PIPs) — класса сигнальных липидов, которые действуют как молекулярные «идентификационные метки» на клеточных мембранах.

В контролируемых лабораторных условиях команда подтвердила, что два микроба устанавливают различные мембранные идентичности.

Мутуалистический AM-гриб Funneliformis mosseae был окружён мембраной, богатой PI4P.

Напротив, патогенный оомицет Phytophthora palmivora успешно исключал ключевые компоненты хозяина, включая PI4P и миристоилированный белок, из своей EHM. Это исключение может быть стратегией, направленной на подавление иммунного ответа хозяина.

Совместная колонизация меняет сценарий

Критическое открытие пришло из моделирования более естественного сценария, когда корни растений были предварительно колонизированы грибом-мутуалистом перед атакой патогена.

Поразительно, но в корнях, предварительно колонизированных AM-грибами, состав EHM патогена был кардинально изменён. PI4P и миристоилированные белки теперь присутствовали вокруг гаустория патогена, делая EHM похожей на PAM мутуалиста.

Это продемонстрировало, что мембранная идентичность хозяина не статична и может динамически изменяться при совместной колонизации, что изменяет свойства внутриклеточного интерфейса патогена. Что важно, это изменение мембранной идентичности совпало с повышенной устойчивостью и снижением колонизации P. palmivora.

Интересно, что соседние клетки корня, которые могли быть недавно, но не в данный момент колонизированы AM-грибами, также показали изменённый состав мембраны в местах проникновения патогена, хотя этот эффект ограничивался корнями и не наблюдался в листьях.