Растения имеют резервную систему защиты от разных видов атак, выяснили учёные

Защитные системы растений работают сообща — если одна система выходит из строя, другая может частично взять её функции на себя. Исследователи из Департамента биологии Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) в сотрудничестве с коллегами из Имперского колледжа Лондона и Лаборатории Сэйнсбери изучали, как растения защищают себя. Их результаты опубликованы в Science Signaling.

Клеточные стенки растений функционируют как внешний скелет, защищающий от угроз. Эта структура жизненно важна, поэтому у растений развились механизмы, которые отслеживают состояние клеточных стенок и обнаруживают их повреждения. При повреждении стенки растение обычно старается минимизировать ущерб и восстановить её, чтобы вернуться к нормальному состоянию или равновесию.

Растению необходимо реагировать по-разному в зависимости от типа угрозы. Изначально растение не может определить, вызвано ли повреждение клеточной стенки, например, засухой или болезнью. Как же растения распознают опасность и дают правильный ответ?

Доцент Торстен Хамманн из NTNU сыграл ключевую роль в поиске ответа на этот вопрос. «Засуха требует от растения адаптации метаболизма, тогда как болезнь требует активации различных иммунных ответов», — объясняет Хамманн. В зависимости от угрозы задействуются разные химические процессы. Физическое повреждение клеточной стенки требует совершенно иного иммунного решения, чем болезнь.

Исследователи подвергли резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) различным повреждениям, чтобы увидеть реакцию растений. Это довольно распространённое сосудистое растение семейства Капустные (Brassicaceae). Обычно это однолетнее растение, довольно простое в выращивании, и его 30 000 генов полностью картированы. Поэтому этот вид часто используется как модельный организм для изучения биологических процессов. Учёные надеются, что результаты окажутся верными и для других видов.

Клеточные стенки растений состоят из белков и различных сахаров (углеводов), таких как целлюлоза, пектин и лигнин. Исследователи атаковали одни растения ферментами, расщепляющими клеточные стенки. Другим растениям добавили вещество, ингибирующее образование целлюлозы. Затем они изучили химические реакции растений.

Они «отключили» 27 генов, чтобы наблюдать за эффектами. Пять генов оказались важны для поддержания равновесия клеточных стенок. Эксперименты позволили идентифицировать несколько ферментов (киназ) и канальных белков, участвующих в защитных механизмах растения. Ряд генов задействован в производстве этих веществ.

Самое интересное открытие заключается в том, что две системы защиты могут действовать как резерв друг для друга. «Мы обнаружили, что если заблокировать иммунный ответ растений, механизмы, поддерживающие баланс в клеточных стенках, могут частично компенсировать эту блокировку. Они стали своего рода резервной системой обороны», — говорит Хамманн.

Статья в Science Signaling значительно улучшает понимание взаимосвязей, при которых внешние воздействия запускают специфические реакции у растений. «Мы видим, как разные физические воздействия запускают разные специфические химические ответы», — говорит Хамманн. Это знание показывает, что люди могут влиять на растения, чтобы они реагировали определённым образом.

Результаты имеют не только фундаментальную, но и практическую ценность. Знание о различных защитных механизмах растений открывает новые возможности для решений, которые могут помочь растениям эффективнее противостоять разным угрозам.

Результаты экспериментов с резуховидкой Таля могут сыграть важную роль в сельском хозяйстве, например, при выращивании сортов риса и кукурузы с лучшей урожайностью. Ежегодно производится более миллиарда тонн кукурузы и около 750 миллионов тонн риса. Многие люди и домашний скот полагаются на эти растения как на центральную часть своего рациона. Большие популяции могут получить особенно ощутимую пользу от этого исследования.