Расшифрована связь внутренних часов растений с их защитой от болезней

Исследователи под руководством Хуа Лу из Университета Мэриленда обнаружили новые генетические связи между циркадным ритмом растений (их внутренними часами) и способностью противостоять болезням и вредителям. Результаты 10-летней работы опубликованы в Nature Communications. Они могут привести к созданию более устойчивых к патогенам растений и улучшению методов лечения болезней человека.

Роль времени в защите

Растения эволюционно выработали различные стратегии защиты от ежедневных атак бактерий и грибков. Они могут закрывать устьица (поры на листьях), чтобы предотвратить проникновение бактерий, или производить защитные химические вещества, такие как салициловая и жасмоновая кислоты. Эти действия часто подчиняются суточному ритму, достигая пика, когда патогены наиболее активны.

В этом исследовании впервые показано, что ген LUX, ключевой для циркадных часов растения, критически важен для:

• Регуляции открытия и закрытия устьиц в определённое время суток.
• Активации защиты, опосредованной салициловой и жасмоновой кислотами.

У типичного растения устьица открыты днём для фотосинтеза и закрыты ночью для сохранения воды. Они также закрываются в ответ на дневную атаку патогена. Однако у растений с нефункциональным геном LUX устьица остаются открытыми и днём, и ночью, что позволяет патогенам легче проникать внутрь. Это указывает, что LUX критичен для привязки устьичного ответа к циркадным часам.

Исследование также углубляется во взаимосвязь гена LUX и защитных химических веществ. Было известно, что циркадные часы могут регулировать защитные реакции, но эта работа показывает, что верно и обратное: «Правильно настроенные часы важны для активации защиты. Когда защита активируется, она, в свою очередь, может влиять на регуляцию часов», — говорит Хуа Лу.

Команда показала, что наличие LUX необходимо для нормальной передачи сигнала жасмоновой кислоты. В свою очередь, жасмоновая кислота влияет на экспрессию LUX и работу часов. Эта взаимная регуляция помогает растениям балансировать между затратами энергии на рост и на защитные реакции.

От ферм до фармацевтики

Дальнейшие исследования будут направлены на то, чтобы выяснить, как именно время влияет на систему защиты растений. Понимание того, как гены часов контролируют защиту и как патогены взаимодействуют с этой системой, может принести пользу сельскому хозяйству и не только.

«Патогены повсюду и всегда. Но часто их наиболее активная форма меняется в течение дня. Также растения могут иметь разные защитные стратегии в разное время суток», — объясняет Лу. — «Так когда же лучшее время для применения пестицидов? Это может зависеть от патогена, способа заражения и поведения сельскохозяйственных культур».

Снижение общего использования пестицидов уменьшит попадание химикатов в водоёмы и снизит затраты фермеров.

Кроме того, активность иммунной системы колеблется в течение суток не только у растений, но и у животных. Поэтому «аналогичные идеи могут быть применены в медицинской области», — говорит Лу. В будущем рецепт на лекарство или время операции могут назначаться с учётом суточной активности иммунной системы пациента.

Наука в действии

Хуа Лу отмечает, что это масштабное исследование — результат работы всей её лаборатории, включая постдоков и студентов. Некоторые эксперименты требовали измерений каждые 4 часа в течение суток, что означало ночёвки в лаборатории.

«Эта область интересует меня, потому что я вижу, что моя работа может иметь практическое применение, и я думаю, это важно. Это должно быть целью каждого учёного — применять свои знания в реальной жизни», — заключает Лу.