Обнаружена естественная устойчивость мохообразных к гербициду

Устойчивость к гербицидам — серьёзная проблема для производства достаточного количества пищи для растущего населения. Сэм Кейгилл и его коллеги из Института Грегора Менделя (GMI) Австрийской академии наук выяснили, как большая группа растений, мохообразные (бриофиты), естественно толерантна к гербициду глифосату — ранее это было известно лишь из анекдотических наблюдений в садоводстве.

Понимание механизма естественной устойчивости некоторых растений к гербицидам даёт исследователям важную отправную точку для решения проблемы гербицидорезистентности в сельском хозяйстве.

Глифосат — один из широко используемых и активно обсуждаемых гербицидов. Его чрезмерное применение привело к появлению устойчивых к глифосату сорняков, что снизило урожайность в некоторых регионах Европы, Северной Америки и Австралии.

Анекдотические данные, однако, указывали, что бриофиты (не сосудистые растения) толерантны к глифосату, хотя это не было подтверждено экспериментально, и механизм толерантности оставался неизвестным.

AlphaFold помог обнаружить альтернативный путь синтеза белка

В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, Сэм Кейгилл и Лиам Долан из GMI экспериментально показали, что бриофиты (включая печёночники, антоцеротовые и мхи) действительно толерантны к глифосату и могут расти даже при его воздействии.

Глифосат убивает большинство сосудистых сорняков, ингибируя фермент EPSP-синтазу, что, в свою очередь, нарушает синтез аминокислот и производство белков.

Кейгилл предположил, что у бриофитов может существовать альтернативный путь, обходящий EPSP-синтазу. Комбинируя данные из ДНК-баз с предсказанием структуры на основе ИИ (AlphaFold), он идентифицировал фермент MurA, структурно и функционально схожий с EPSP-синтазой.

  • Гены MurA присутствуют у всех бриофитов, и все протестированные бриофиты оказались толерантны к глифосату.
  • MurA отсутствует у цветковых растений, которые чувствительны к глифосату.

Эксперименты подтвердили роль MurA:

  1. Сверхэкспрессия MurA у печёночника Marchantia polymorpha повысила толерантность к глифосату.
  2. Растения с нефункциональной версией MurA стали менее толерантны.
  3. Введение гена MurA в чувствительное сосудистое растение Arabidopsis thaliana сделало его устойчивым к глифосату.

Переписывание учебников

Чтобы понять, как именно MurA обеспечивает толерантность, команда с помощью высокочувствительной масс-спектрометрии проверила, производит ли MurA то же низкомолекулярное соединение EPSP, что и EPSP-синтаза.

Оказалось, что оба фермента катализируют производство одного и того же продукта — EPSP. Таким образом, MurA предоставляет альтернативный путь, который может поддерживать производство аминокислот и синтез белка у бриофитов, даже когда EPSP-синтаза ингибирована глифосатом.

Это открытие стало неожиданным, так как канонически считалось, что только EPSP-синтаза производит EPSP.

"Одно дело — обнаружить естественный механизм, объясняющий толерантность некоторых растений к глифосату. Другое — открыть новый этап в биосинтезе аминокислот", — говорит Лиам Долан, старший руководитель группы и заместитель научного директора GMI.

Это открытие подчёркивает, почему традиционно малоизученные организмы, такие как бриофиты, могут стать ключом к пониманию фундаментальных вопросов биологии. Кроме того, оно может привести к новым стратегиям снижения устойчивости сорняков к гербицидам.