Иммунная защита растений активируется к утренней атаке

В долгой "гонке вооружений" между цветковым растением Arabidopsis и патогеном ложной мучнистой росы Hyaloperonospora время решает всё.

Исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что маленькое горчичное растение усиливает свою иммунную систему утром, готовясь к максимальному наплыву инфекционных спор, выделяемых грибком.

Хотя известно, что растения различают время суток и меняют свою активность, впервые показано, что защитные системы растения работают в суточном цикле — даже при отсутствии патогенов. Работа опубликована 3 февраля в журнале Nature.

Мощные химические соединения, которые Arabidopsis использует для борьбы с инфекцией, дороги в производстве и потенциально вредны для самого растения в долгосрочной перспективе. Поэтому суточный (циркадный) цикл их выработки безопаснее и эффективнее, чем постоянное наличие этих веществ, пояснила профессор биологии Дьюка Синьнянь Дон.

Утро, когда высыхает роса, — правильное время для готовности защиты.

Когда грибок успешно закрепляется в Arabidopsis, он образует плодовое тело, растущее вверх от поверхности листа. Несущее споры следующего поколения, оно похоже на дерево, покрытое яблоками. Когда утренняя роса высыхает, плодовое тело резко скручивается, разбрасывая крошечные споры, которые разносятся воздушными потоками.

Другие исследователи отмечали, что утро — наиболее продуктивное время для сбора спор, и Arabidopsis, очевидно, уже знал об этом.

Дон и её аспиранты Вэй Ван и Джинён Барнаби обнаружили эту связь с циркадными ритмами во время общего поиска генов иммунной системы Arabidopsis. Они нашли 22 гена-кандидата, участвующих в иммунном ответе на ложную мучнистую росу, и многие из них показали ритмичные паттерны экспрессии.

Ван также наблюдал за паттернами экспрессии этих защитных генов в отсутствие патогенов и обнаружил их суточные циклы. «Это говорит о том, что растения запрограммированы ожидать инфекцию согласно циркадному расписанию», — сказала Дон.

Для проверки гипотезы Ван подвергал растения воздействию спор грибка на «рассвете» или в «сумерках» в теплице с искусственным 12-часовым днём. Уровень заражения оказался намного выше в «сумерки», когда в природе споры не ожидаются.

Чтобы выявить компоненты часов, контролирующие эту защиту, Ван провёл серию экспериментов на так называемых «часовых мутантах» — растениях Arabidopsis, лишённых частей системы циркадного отсчёта времени. Мутант, лишённый центрального часового компонента CCA1, страдал от гораздо более высоких уровней заражения, чем нормальные растения. И наоборот, линия растений, постоянно экспрессирующая CCA1, обладала повышенной устойчивостью.

За последнее десятилетие исследователи растений выявили несколько систем, работающих по циркадным часам, включая метаболизм крахмала, фотосинтез и устойчивость к морозу, сказал Роберт МакКланг, биолог из Дартмутского университета. «Это своего рода завершает набор внешних угроз, которыми управляют часы».

Хотя пока это открытие специфично для Arabidopsis и его эксклюзивного патогена Hyaloperonospora, вероятно, подобная система будет найдена у других растений и патогенов, добавил МакКланг.

Хотя логично, что часовые механизмы связаны с иммунной системой растения, это всё равно «замечательное открытие», сказал Филип Бенфей, профессор биологии Дьюка. «Потребовался экспериментальный тур де форс в сочетании с вдохновенным прозрением, чтобы установить связь между паттернами экспрессии генов и подготовкой к атаке патогена».

«Это была огромная работа, хотя вывод довольно прост», — заключила Дон.