Прорывное исследование показывает, как растения чувствуют мир

Растениям не хватает глаз и ушей, но они все еще могут «видеть», «слышать», «обонять» и реагировать на сигналы окружающей среды и опасности — особенно на вирулентные патогены. Они делают это с помощью сотен мембранных белков, способных чувствовать микробы или другие стрессы.

Лишь небольшая часть этих сенсорных белков была изучена методами классической генетики, а знания о том, как эти сенсоры функционируют, образуя комплексы друг с другом, скудны. Теперь международная команда исследователей из четырех стран — включая Шахида Мухтара, Ph.D., и аспиранта Тимоти "TC" Хаутона из Университета Алабамы в Бирмингеме — создала первую сетевую карту для 200 таких белков. Карта показывает, как несколько ключевых белков действуют как главные узлы, критически важные для целостности сети, и также раскрывает неизвестные ранее взаимодействия.

«Это новаторская работа по идентификации первого слоя взаимодействий между этими белками», — сказал Мухтар, доцент кафедры биологии. «Понимание этих взаимодействий может привести к способам повышения устойчивости растения к патогенам или другим стрессам, таким как жара, засуха, засоление или холодовой шок. Это также может предоставить дорожную карту для будущих исследований ученых по всему миру».

Международная команда, базирующаяся в Европе, Канаде и США, работала под руководством Юсефа Бельхадира, Ph.D., из Института молекулярной биологии растений Грегора Менделя в Вене, Австрия. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Новая комплексная карта сети взаимодействий была сосредоточена на одном из важнейших классов этих сенсорных белков — рецепторных киназах, богатых лейцином (LRR-receptor kinases), которые структурно схожи с человеческими toll-подобными рецепторами.

LRR-рецепторные киназы — это семейство белков как у растений, так и у животных, которые в значительной степени отвечают за восприятие окружающей среды. У растений у них есть внеклеточный домен белка, выходящий за пределы клеточной мембраны, который может распознавать химические сигналы, такие как гормоны роста или фрагменты белков патогенов. Затем рецепторные киназы инициируют ответы на эти сигналы внутри клетки, используя внутриклеточный домен белка.

Модельное растение Arabidopsis thaliana содержит более 600 различных рецепторных киназ — в 50 раз больше, чем у человека, — которые критически важны для роста, развития, иммунитета и реакции на стресс у растений. До сих пор функции были известны лишь у горстки из них, и мало что было известно о том, как рецепторы могут взаимодействовать друг с другом для координации ответов на часто противоречивые сигналы.

Для исследования в Nature лаборатория Бельхадира протестировала взаимодействия между внеклеточными доменами рецепторов попарно, работая с более чем 400 внеклеточными доменами LRR-рецепторных киназ и выполнив 40 000 тестов на взаимодействие.

Положительные взаимодействия были использованы для создания карты взаимодействий, показывающей, как эти рецепторные киназы взаимодействуют друг с другом, в общей сложности 567 взаимодействий с высокой достоверностью.

Лаборатории Дэвида Гуттмана, Ph.D., и Даррелла Десво, Ph.D., в Университете Торонто, Канада, проанализировали карту взаимодействий рецепторов с помощью алгоритмов для генерации разнообразных гипотез, и эти предсказания были подтверждены в лабораториях Бельхадира и Сирила Ципфеля, Ph.D., из Лаборатории Сэйнсбери в Норидже, Великобритания.

В UAB Мухтар и Хаутон протестировали 372 внутриклеточных домена LRR-рецепторных киназ, чьи внеклеточные домены показали взаимодействия с высокой достоверностью, чтобы увидеть, демонстрируют ли внутриклеточные домены также сильные взаимодействия. Более половины показали это, что позволяет предположить, что формирование этих рецепторных комплексов требуется для восприятия сигнала и последующей передачи сигнала. Это также указывает на валидацию биологической значимости взаимодействий внеклеточных доменов.

Лаборатория Мухтара в UAB клонировала почти все внутриклеточные домены LRR-рецепторных киназ Arabidopsis. «Это часть усилий по пониманию того, как растения реагируют на патогены или как патогены захватывают иммунную систему, что является областью нашего интереса», — сказал Мухтар.

Исследование в Nature включало два основных сюрприза, говорит Адам Мотт, Ph.D., из Университета Торонто. LRR-рецепторные киназы, имеющие небольшие внеклеточные домены, взаимодействовали с другими LRR-рецепторными киназами чаще, чем те, у которых домены большие. Это предполагает, что маленькие рецепторные киназы эволюционировали для координации действий других рецепторов. Во-вторых, исследователи идентифицировали несколько неизвестных ранее LRR-рецепторных киназ, которые, по-видимому, критически важны для целостности сети.

Самая важная из них, названная APEX, по прогнозам, должна была вызвать серьезные нарушения в остальной сети при ее удалении. Исследователи обнаружили, что удаление APEX и нескольких других известных LRR-рецепторных киназ действительно ухудшало развитие растений и иммунные ответы, даже несмотря на то, что эти ответы контролируются рецепторными киназами, находящимися на нескольких сетевых шагах от узла APEX.

Это новое понимание того, как взаимодействуют рецепторные киназы, может помочь исследователям идентифицировать важные рецепторные киназы, способные модифицировать стрессовые реакции у сельскохозяйственных культур, чтобы сделать их устойчивыми к стрессам окружающей среды, таким как глобальное потепление и патогены.

«Сеть, разработанная в этом исследовании, позволяет будущим исследователям понять ранее неизвестную связность этих рецепторов», — сказал Хаутон. «Эти знания могут быть использованы для лучшего понимания того, как растения ощущают свою среду в полном контексте рецепторов на поверхности растительной клетки».