Растения-паразиты атакуют культуры, защищаясь от микробов

Исследователи из Центра устойчивых ресурсов RIKEN (CSRS) в Японии обнаружили связь между защитными реакциями растений и красивым, но опустошительным паразитом сельскохозяйственных культур — ведьмиными метлами (род Striga). Новое исследование, опубликованное в Nature, показывает, что как паразитические, так и непаразитические растения могут обнаруживать и реагировать на класс органических соединений, называемых хинонами. В то время как паразитические растения чувствуют хиноны в своей жертве и используют их для вторжения, хиноны запускают защитные реакции у непаразитических растений, которые могут защитить их от бактерий и других микробов.

Все разновидности паразита ведьмина метла (род Striga) чувствуют хинон DMBQ в других растениях, таких как кукуруза, сахарный тростник и сорго, а затем формируют придаточные органы, которые используют для вторжения в хозяина. Проникнув внутрь, они крадут воду и питательные вещества, влияя на рост и урожайность культур. Ежегодные мировые потери от паразитов Striga составляют более миллиарда долларов США. Кен Ширасу и его группа в CSRS хотят найти способы предотвратить такие потери, разработав эффективные методы лечения или устойчивые к Striga культуры. Для этого им необходимо понять все молекулярные события, происходящие в паразитических растениях в ответ на хиноны. Но сначала, как говорит Ширасу, «нам нужно было ответить на более базовый вопрос: что хиноны вообще делают в непаразитических растениях?». Удивительно, но никто никогда не проверял, реагируют ли непаразитические растения на хиноны. Ответ — да.

Исследователи обнаружили, что широко используемое модельное растение Arabidopsis реагировало на хиноны, производя кальциевый сигнал. Затем они исследовали 50 000 мутантных проростков и нашли 11 мутантов, у которых эта реакция отсутствовала. Это распространенный метод поиска генов, ответственных за биологические цепочки событий. В данном случае у всех 11 мутантов были мутации в одном и том же гене, который исследователи назвали CARD1 (CAnnot Respond to DMBQ).

Далее исследователи задались вопросом, что происходит после того, как непаразитическое растение обнаруживает DMBQ. Генетический анализ показал, что биологическая цепочка событий после активации хинонами белка CARD1 включает реакции на ранения и стресс. Затем команда проверила гипотезу, что хиноновая сигнализация связана с иммунными ответами. Они обнаружили, что по сравнению с дикими растениями мутанты card1 легче заражались бактерией Pseudomonas syringae — распространенной бактерией, поражающей Arabidopsis и многие другие растения, такие как томаты. Один из типичных иммунных ответов у растений — закрытие пор на листьях, чтобы предотвратить проникновение патогенов. Более глубокий анализ показал, что эти устьичные поры не закрывались у мутантных растений, потому что растения не могли реагировать на хиноны. Вероятно, это привело к повышенной восприимчивости к инфекции. Другой тест показал, что предварительная обработка растений DMBQ повышала устойчивость к бактериальной инфекции через сигнальный путь CARD1.

Убедившись, что белок CARD1 необходим для иммунных реакций на хиноны у непаразитических растений, команда задалась вопросом, связана ли хиноновая сигнализация у паразитических растений с похожим геном. Они нашли и обнаружили CARD1-подобные белки в модельном паразитическом растении Phtheirospermum japonicum, которые экспрессировались в корнях и также были вовлечены в вызванное DMBQ увеличение кальция.

Понимание хиноновой сигнализации у растений должно предоставить мишени для борьбы с паразитическими растениями, а также исключить другие мишени. Как объясняет Ширасу: «Наше текущее исследование показывает, что если мы просто нацелимся на хиноны, это, вероятно, будет иметь нежелательный побочный эффект — повышение восприимчивости сельскохозяйственных культур к бактериальной инфекции. Другой подход может заключаться в создании культур, которые не производят хиноны, но все еще могут запускать последующие реакции, обеспечивающие защиту от микробной инфекции, возможно, с помощью обработки».

Один из следующих шагов — выяснить, как именно запускается производство хинонов в непаразитических растениях и можно ли инициировать цепочку событий на последующих этапах, когда хиноны отсутствуют.