Новое понимание растительного фермента может улучшить управление урожаем

Исследование хитиназ — ферментов, естественным образом присутствующих в растениях, — может позволить фермерам раньше и эффективнее бороться с грибковыми инфекциями.

Ученые из Национальной лаборатории Эймса Министерства энергетики США изучили хитиназы кукурузы и риса, чтобы лучше понять их роль в индикации стресса у растений и борьбе с грибковыми атаками. Результаты показывают, что эти ферменты могут быть ценным ресурсом не только для мониторинга здоровья сельскохозяйственных культур, но и для оптимизации биомассы для использования в альтернативной энергетике.

Кукуруза и рис — две важнейшие сельскохозяйственные культуры в мире. Помимо пищевой ценности, они имеют важное энергетическое применение через использование отходов растениеводства (биомассы). Кукуруза — основная культура для производства биотоплива, а рисовую шелуху используют для отопления, выработки электроэнергии и создания биотоплива.

Одна из главных угроз урожайности — патогены, такие как грибы, бактерии и вирусы. Только грибы ежегодно вызывают потерю 35–40% урожая кукурузы и риса.

Хитиназы широко распространены в растительном мире и участвуют в защите растений от грибковых атак. Исследовательская группа под руководством Марит Нильсен-Гамильтон сосредоточила внимание на ризосфере — узкой зоне почвы вокруг корней растений, где происходит интенсивная микробная активность. Корни выделяют в почву различные вещества, включая сахара, хитиназы и полимеры. Бактерии в почве также вносят свой вклад, а выделяемые ими полимеры образуют тонкую пленку на корнях.

Команда выбрала для изучения специфические хитиназы, которые растения выделяют в ответ на грибковую атаку. Первым шагом было полное понимание функциональных и молекулярных характеристик этих ферментов.

Исследователи хотели выяснить, являются ли эти хитиназы хорошим индикатором стресса растений, связанного с грибами, и могут ли они убивать грибы. Оказалось, что одна из хитиназ эффективна против грибка Aspergillus niger, который может вызывать черную плесень у различных сельскохозяйственных культур.

Кроме того, команда хотела узнать, могут ли хитиназы быть хорошими рецепторами для аптамеров. Аптамеры — это нуклеиновые кислоты, которые ведут себя как антитела, но для их создания не нужны животные. Их можно использовать для обнаружения хитиназ и потенциально для активации определенных хитиназ, выделяемых в ответ на грибковые инфекции.

Хитиназа риса оказалась плохой мишенью для аптамеров, так как и фермент, и белок аптамера имеют отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга. Однако хитиназа кукурузы стала хорошим рецептором для аптамеров.

Это исследование также способствует работе по использованию аптамеров для раннего обнаружения грибковых заболеваний, пока еще не поздно спасти растение. Инженерный коллаборатор Пранав Шротрия разработал способ использования аптамеров для обнаружения молекул с помощью электрохимического устройства. Зонд можно сделать настолько маленьким, что его можно поместить в почву, что открывает возможность детектировать вещества, выделяемые корнями растений и бактериями.

Характеристика этих хитиназ — важный вклад в работу команды по обнаружению белков, выделяемых растениями. Возможность раннего обнаружения позволяет фермерам вмешаться своевременно, когда инфекцию легче устранить.

Понимание хитиназ также может привести к более целенаправленным методам лечения, чем применение общего фунгицида или вмешательство, когда растения уже выглядят больными. Эти выводы могут оказать экономическое влияние не только на традиционные сельскохозяйственные культуры и их отходы для производства энергии, но и на специальные энергетические культуры, выращиваемые исключительно для создания биомассы для топлива.

Исследование подробно описано в статье «Plant root associated chitinases: structures and functions», написанной Сэмюэлом О. Шобаде, Ольгой А. Заботиной и Марит Нильсен-Гамильтон и опубликованной в журнале Frontiers in Plant Science.