Можно ли «вакцинировать» растения для усиления их иммунитета?
Растения, как и люди, болеют. Их листья покрыты пятнами и повреждениями — следами ежедневной микроскопической битвы с патогенами. Современное сельское хозяйство ограничивает естественные защитные механизмы растений, полагаясь на пестициды для получения безупречных продуктов. Однако около трети яблок не попадают на прилавок из-за внешних дефектов, а такие болезни, как панамская, угрожают всему мировому производству бананов.
Учёные ищут способы борьбы с болезнями растений без химикатов. Один из подходов — усилить иммунитет культур с помощью методов, аналогичных вакцинации.
Естественные «гены устойчивости» растений
За последние 25 лет генетика и молекулярная биология раскрыли секреты иммунитета растений. С помощью компьютеров в генетических данных были обнаружены тысячи «генов устойчивости». Они кодируют белки устойчивости, которые структурно похожи на антитела человека: оба имеют модульную природу и распознают специфические патогены по принципу «замка и ключа».
Если белок-«замок» находит соответствующий патоген-«ключ», он активирует сигнал тревоги и включает другие защитные функции растения. Однако, в отличие от адаптивной иммунной системы животных, растения не могут создавать новые антитела — они получают все гены устойчивости только от родителей.
Разнообразие — основа иммунной системы растений
Патогены (бактерии, грибы) с коротким жизненным циклом эволюционируют быстрее растений. Если патоген меняет свой молекулярный «ключ», он может избежать распознавания и заразить растение.
Жёсткость наследуемой устойчивости компенсируется только генетическим разнообразием внутри вида растений. Чем разнообразнее популяция, тем больше различных генов устойчивости в ней представлено.
Модульная природа этих генов позволяет им быстро перестраиваться и создавать новые комбинации при скрещивании растений. Это даёт шанс эволюционировать вместе с патогенами.
Монокультурное сельское хозяйство противоречит этой естественной защите:
- Одинаковые растения имеют одинаковый набор генов устойчивости.
- Прекращается естественная эволюция новых комбинаций.
- Болезнь, поразившая одно растение, угрожает всему полю.
- Для защиты приходится всё больше полагаться на пестициды.
Восполнение недостающего разнообразия
Исследователи ищут гены устойчивости у диких родственников культурных растений (например, сои), чтобы внедрить их в коммерческие сорта с помощью:
- Традиционной селекции (медленный процесс, особенно для отдалённо родственных видов).
- Генетического редактирования (более быстрый метод).
Пример с картофелем и фитофторозом (причина картофельного голода в XIX веке):
- Сегодня фермеры опрыскивают картофель фунгицидом до 15 раз в год.
- У дикого картофеля был найден ген устойчивости к фитофторозу.
- Компания BASF создала ГМ-сорт, но проект закрыли в 2013 году из-за отсутствия интереса рынка и высоких регуляторных барьеров.
- Недавно в США одобрен новый ГМ-сорт «Innate», содержащий гены устойчивости от диких родственников. Он борется с фитофторозом без фунгицидов.
Использование ГМО остаётся спорным (требования к тестированию, восприятие как «ненатурального»). Например, McDonald's не будет использовать картофель Innate для фри.
Синтетический иммунитет: следующий шаг
Некоторые учёные пошли дальше. В 2023 году исследователи показали, как можно создать искусственный ген устойчивости в лаборатории. Вместо заимствования у природы «замки» (белки) были сконструированы для распознавания конкретных патогенных «ключей». Внедрение такого гена в растения даёт им синтетический иммунитет.
Пока это только лабораторные исследования, но они открывают возможность создавать инструменты защиты даже тогда, когда болезни эволюционируют и обходят все естественные механизмы устойчивости растений.