Биологи раскрыли связь роста и защиты у кукурузы, определив ключевые пути синтеза антибиотиков

Сельскохозяйственное производство должно удвоиться в ближайшие 30 лет, чтобы удовлетворить потребности растущего населения. Однако урожаи сегодня находятся под угрозой из-за вредителей и экстремальных погодных явлений, что требует поиска эффективных естественных стратегий защиты растений.

Расшифровка целых биохимических путей, защищающих ключевые культуры мирового значения, остаётся сложной задачей. Учёные исследуют иммунитет кукурузы — основной мировой культуры — чтобы найти гены, ответственные за производство разнообразных антибиотических смесей против возбудителей болезней.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего — Ечжан Дин, Алиса Хаффакер и Эрик Шмельц — вместе с коллегами разработали системный комбинированный подход для идентификации таких генов. Результаты опубликованы в Nature Plants.

"Нам нужно знать, какие механизмы защиты сельскохозяйственных культур эффективны и что мы можем сделать, чтобы поддержать или улучшить их", — сказал Шмельц. — "Соавторы и коллабораторы в Китае уже используют некоторые охарактеризованные нами гены кукурузы для значительного повышения устойчивости риса к болезням".

Ранее определение полного нового биохимического пути в культурах требовало пошагового прогресса и часто большей части исследовательской карьеры. В новом исследовании биологи описывают, как они объединили ряд научных подходов, чтобы чётко определить шесть генов, кодирующих ферменты, ответственные за производство ключевых антибиотиков кукурузы, известных своей ролью в устойчивости к болезням.

Растения кукурузы, лишённые защиты малыми молекулами антибиотиков (производных от скелета из 20 атомов углерода, известных как дитерпеноиды), часто демонстрируют резкое повышение восприимчивости к грибковым заболеваниям.

"Большинство людей знают, что сосны защищены липкими смолами, которые убивают или отпугивают большинство микробов и насекомых", — сказал Шмельц. — "Мы описываем полный биосинтетический путь кукурузы, который также производит кислотные смолы по требованию в месте грибковой атаки. Интересно, что почти весь путь произошёл от эволюционно недавних дупликаций генов из разнообразных гормональных путей, связанных с ростом растений и метаболизмом человеческого тестостерона".

Одним из эволюционных шагов стала относительно недавняя (три миллиона лет назад) дупликация гена из гормонального пути, ответственного за рост растений — гиббереллинов. На следующем этапе, не явно заимствованном из биосинтеза гормонов, были охарактеризованы два высокопромисцуитивных окислительных фермента (с широкой субстратной и продуктной специфичностью) — цитохромы P450, — производящие уникальные реакции, отличные от известных путей хвойных.

В общей сложности в работе было использовано более 2000 образцов растений, каждый с 36 861 транскриптом, охватывающих 300 различных линий кукурузы, чтобы систематически сузить круг кандидатов и определить путь синтеза антибиотиков, эффективных против грибковых патогенов.