Открытие кластерных химических защитных механизмов пшеницы открывает новые направления исследований

Международная коллаборация помогла объяснить химические защитные механизмы, которые защищают растения пшеницы от болезней, открывая потенциально новые направления исследований для этой глобально культивируемой культуры.

Исследователи из Центра Джона Иннеса использовали последние достижения в картировании сложного генома пшеницы мягкой (Triticum aestivum), чтобы сделать это открытие.

Группы Осборн и Уауй совместно получили данные, которые привели к обнаружению нескольких наборов генов в пшенице, активирующихся при атаке растения болезнетворными микроорганизмами.

Эти гены обнаружены в шести кластерах биосинтетических генов в геноме пшеницы. Кластеры генов, производящие защитные молекулы, ранее также находили у других зерновых культур, таких как овес и рис.

Чтобы выяснить, какие химические вещества производятся этими кластерами, исследователи изолировали интересующие гены и ввели их в растение Nicotiana benthamiana (близкий родственник табака). Эта техника транзиентной экспрессии позволила быстро проанализировать биохимические пути, кодируемые кластерами.

Исследователи обнаружили, что кластеры кодируют универсальный набор молекул, включая тритерпены, дитерпены и флавоноиды, в том числе ранее неизвестную молекулу, названную элларинацином.

Группа продолжает работу по расшифровке других молекул, производимых генными кластерами, и пониманию того, как они способствуют защите пшеницы от вредителей и болезней.

Пшеница — одна из важнейших зерновых культур, обеспечивающая пятую часть калорий, потребляемых людьми во всем мире. Несмотря на её сельскохозяйственную важность, мало что известно о химических веществах, которые пшеница производит в ответ на атаки вредителей и патогенов.

Знание того, какие генетические пути производят определённые полезные химические вещества, означает, что эти комбинации генов можно вводить в сорта пшеницы с помощью селекции, чтобы сделать их более устойчивыми к болезням, особенно в условиях, когда изменение климата усугубляет эту проблему.

Исследование, опубликованное в журнале PNAS, также показало, что у Brachypodium distachyon (дикого злака, родственного пшенице) содержится индуцируемая патогеном вариация кластера элларинацина, которая производит структурно схожее соединение — брахинацин.

Как объясняет доктор Полтурак, эта работа знаменует начало важного нового направления исследований пшеницы:

"Наш подход, основанный на геномике, позволил нам идентифицировать соединения, которые производятся в пшенице только при определённых условиях — в данном случае при атаке патогена. Обнаружить эти молекулы «классическим» подходом химического анализа экстрактов пшеницы было бы сложно".

Профессор Энн Осборн, руководитель группы в Центре Джона Иннеса и соавтор статьи, отмечает:

"От почти полного незнания о защитных соединениях пшеницы мы теперь обнаружили шесть ранее неизвестных путей биосинтеза защитных соединений в пшенице, включая совершенно новые химические вещества, о которых ранее не сообщалось. Наша работа продолжается, чтобы исследовать, какую функцию выполняют эти молекулы в пшенице, как они способствуют защите от патогенов и как регулируется вся сеть индуцируемых патогенами генных кластеров".