Паразитическое растение контролирует гены растения-хозяина
Повилика (Cuscuta), паразитическое растение, наносящее ежегодно значительный ущерб сельскохозяйственным культурам в США и по всему миру, способна подавлять экспрессию генов в растениях-хозяевах, от которых она получает воду и питательные вещества. Такого межвидового регулирования генов, включая гены, отвечающие за защиту растения-хозяина от паразитов, ранее у паразитических растений не наблюдалось. Понимание этого механизма может дать исследователям способ создания генетически устойчивых к паразиту растений. Статья с описанием исследования, проведенного группой ученых из Университета Пенсильвании и Технологического института Вирджинии, опубликована 4 января 2018 года в журнале Nature.
Повилика — облигатный паразит, который не может жить самостоятельно. В отличие от большинства растений, получающих энергию путем фотосинтеза, она высасывает воду и питательные вещества из других растений, соединяясь с их сосудистой системой через структуры, называемые гаусториями. Исследователи показали, что помимо питательных веществ, повилика также передает в растение-хозяин микроРНК, которые напрямую регулируют экспрессию генов хозяина.
МикроРНК — это очень короткие фрагменты нуклеиновой кислоты, которые могут связываться с матричными РНК (мРНК), кодирующими белки. Это связывание предотвращает синтез белка, либо блокируя процесс напрямую, либо запуская разрезание мРНК на фрагменты. Важно, что эти небольшие фрагменты мРНК затем могут функционировать как дополнительные микроРНК, вызывая дальнейшее подавление гена.
Экспрессия этих микроРНК у повилики активируется при контакте с растением-хозяином. МикроРНК специфически нацелены на гены хозяина, участвующие в защите растения от паразита.
При атаке паразита растение запускает защитные механизмы. Один из них, аналогичный свертыванию крови, — выработка белка, который «закупоривает» поток питательных веществ к месту прикрепления паразита. МикроРНК повилики нацелена на мРНК, кодирующую этот белок, что помогает поддерживать свободный поток питательных веществ к паразиту. Ген, кодирующий этот «сворачивающий» белок, имеет очень похожую последовательность у многих видов растений. МикроРНК повилики нацелена на наиболее консервативные участки этой последовательности, что позволяет паразитировать на широком разнообразии видов.
Ученые провели секвенирование всех микроРНК в тканях паразита, растения-хозяина и их комбинации. Сравнив данные, они идентифицировали микроРНК повилики, попавшие в ткани растения-хозяина. Затем они измерили количество мРНК генов-мишеней и увидели, что уровень мРНК хозяина снижался при наличии микроРНК повилики.
Результаты, наряду с предыдущими примерами обмена малыми РНК между грибами и растениями, указывают на то, что такое межвидовое регулирование генов может быть широко распространено в других взаимодействиях «растение-паразит». Это знание открывает возможность использования технологии редактирования генов для изменения сайтов-мишеней микроРНК в растениях-хозяевах, чтобы предотвратить связывание и подавление генов. Такая инженерная устойчивость к паразиту может снизить его экономическое влияние на сельскохозяйственные культуры.