Как растения быстро реагируют на инфекции?

Новое исследование под руководством Кангмей Чжао и Сью Ри из Института Карнеги раскрывает новый механизм, позволяющий растениям быстро активировать защиту от бактериальных инфекций. Это понимание может вдохновить усилия по повышению урожайности и борьбе с глобальным голодом.

"Понимание того, как растения реагируют на стрессовые условия, критически важно для разработки стратегий защиты важных продовольственных и биотопливных культур от изменяющегося климата", — пояснила Ри.

Опубликованная в eLife работа Чжао и Ри, а также Бенджамина Джина (Карнеги), Дезе Конг и Кристины Смолке (Стэнфорд) исследует, как на генетическом уровне активируется выработка защитного соединения растений — камалексина.

"Поскольку растения растут на одном месте, они не могут убежать от хищников или патогенов, — объяснил Чжао. — Вместо этого они эволюционировали, чтобы производить соединения, которые помогают им бороться с захватчиками".

Камалексин, как и другие метаболиты растений, синтезируется специализированными ферментами. Когда растение испытывает стресс, оно активирует гены, кодирующие эти ферменты. Исследователи стремились выяснить, как растительная клетка может быстро запустить "производственную линию" и отреагировать на внешние угрозы в нужный момент.

Генетический материал клетки содержит "рецепты" для создания этих ферментов. Организация генетического кода в клетке крайне важна из-за огромного объема информации.

"Представьте, что геном клетки — это массивная библиотека, где каждый ген — это книга, а каждая хромосома — огромная полка, — сказала Ри. — У клетки есть разные механизмы для быстрого поиска нужного гена в этом море информации, чтобы его можно было транскрибировать и транслировать для создания закодированного белка и реакции на угрозы".

Эти стратегии включают добавление или удаление "меток" в упаковке генов и связанного материала — хроматина — что может усиливать или подавлять экспрессию конкретных генов. Иногда присутствуют одновременно как активирующие, так и репрессирующие элементы — явление, называемое бивалентным хроматином.

Чжао, Ри и их коллеги обнаружили ранее не описанный тип бивалентного хроматина. Они назвали его кайростат (от греческого "kairos" — подходящий момент, и "stat" — устройство). Он удерживает путь биосинтеза камалексина неактивным до получения сигнала о патогене. Результаты показывают, что оба элемента необходимы для контроля точного времени реакции растения на внешний стресс.

"Камалексин и другие защитные соединения часто очень "дороги" и токсичны для растений, поэтому производить их постоянно невыгодно, — сказал Чжао. — Теперь у нас есть новое понимание молекулярного механизма, обеспечивающего точную своевременность производства камалексина. Это открытие может помочь в разработке стратегий борьбы с изменением климата и глобальным голодом или даже в синтезе лекарств растительного происхождения".

В дальнейшем группа планирует охарактеризовать все белки, участвующие в установке и удалении эпигенетических меток, чтобы идентифицировать больше кайростатов и лучше понять их роль в реакциях на окружающую среду.