Рефери и боец — две стороны защиты растений
Год назад лаборатория Хау создала растение, которое опровергло распространенное заблуждение, что растения могут либо защищаться, либо расти, но не оба процесса одновременно. Их растение могло.
В рамках этой работы они создали растение с повышенной устойчивостью к вредителям. Постдок Иэн Мэйджор из лаборатории Хау хотел понять, что делает его особенным.
Понимание того, как растения защищаются от гусениц и других травоядных, может помочь в создании более устойчивых сельскохозяйственных культур.
По оценкам USDA, ежегодные потери урожая в США от вредителей значительны, некоторые оценки показывают до 79% потерянного урожая. Ежегодное использование пестицидов исчисляется сотнями миллионов фунтов, что является финансовым бременем и может наносить вред окружающей среде.
В новом исследовании, опубликованном в журнале New Phytologist, Иэн показывает, что гены, связанные с ростом и защитой растений, переплетены сильнее, чем считалось ранее.
Защита растений: сдержанность и активация
Гены заставляют живые организмы работать. Но есть и гены, чья задача — предотвращать работу.
Защита растений использует оба типа — и не без причины. Они работают как рефери и боец.
«У растений обычно есть набор генов, которые предотвращают включение защитных механизмов, когда им не угрожает опасность, — говорит Иэн. — Это экономит энергию».
Но когда растение обнаруживает, что гусеница жует лист, сдерживающий фактор устраняется.
Без сдерживания гены, называемые MYC, высвобождаются и включают защиту, производя молекулы, которые вызывают у гусениц что-то вроде несварения. Этого достаточно, чтобы большинство из них не закончили свою трапезу.
В предыдущей работе лаборатория Хау удалила сдерживающие факторы, чтобы увидеть, каково это — иметь растение, постоянно находящееся в состоянии обороны.
«Это постоянно защищенное растение растет почти так же хорошо, как и его дикие сородичи, что может показаться обнадеживающим, особенно если думать о сельскохозяйственном использовании, — говорит Иэн. — Но удаление сдерживающего фактора также нарушило многие аспекты роста и развития растения».
Бойцы делают больше, чем просто сражаются
«Наблюдение за тем, как высвобожденные MYC постоянно запускают защиту, показало нам, что они контролируют, казалось бы, не связанные с этим процессы развития растения», — говорит Иэн.
Способом изучить это было удалить гены MYC и посмотреть, как отреагирует растение.
Результат, полученный бывшим членом лаборатории Юки Йошидой, — растение с восемью нокаутированными генами. «Нужен особый человек, чтобы довести такое до конца. Для этого нужны решимость и терпение. Это довольно впечатляет».
Без генов MYC защита растений отключилась, что и ожидалось (признак: насекомые, которые питались им, становились толще).
Но проявились и другие эффекты. Без MYC листья и корни растения росли быстрее обычного, а скорость фотосинтеза была немного выше.
«Я думаю, что эти MYC сами по себе являются настоящими контролерами роста — они, кажется, замедляют его. Мы до сих пор не уверены, как MYC все это делают».
Эволюция и биотехнологические применения
Удаление генов растений, ответственных как за подавление, так и за активацию защиты, — уникальный способ изучения того, как работают эти гены, говорит Иэн.
«Этот подход позволил выявить вещи, которые мы иначе не увидели бы. Обычно вы наносите растению рану и изучаете его реакцию во времени, что является косвенным подходом».
Но использование генетических подходов для удаления генов затрагивает самую суть, потому что они выявляют крайние реакции почти мгновенно.
Эти методы могут помочь понять стратегии защиты у более широкого круга растений. Потому что то, как растения контролируют свою защиту от насекомых, как правило, схоже у всех наземных растений.
«Когда растения вышли из океана, этот тип защиты начинает появляться у мхов, а затем эволюционирует дальше. Можно представить, что, оказавшись на суше, растения должны были адаптироваться к новым врагам».
Само по себе это обнадеживает ученых, которые хотят создать или вывести более устойчивые культуры.
Но есть и другое: многие защитные молекулы, вредные для гусениц, оказываются полезными для нас.
«Возьмем флавоноиды — они являются антиоксидантами для человека. Другие защитные соединения используются в химиотерапевтических препаратах. Есть и такие вещества, как никотин, кофеин или морфин. Все они управляются сходными механизмами защиты растений».
В настоящее время некоторые фармацевтические препараты получают из культур растительных клеток, выращиваемых и обрабатываемых в лабораториях. «Возможно, когда-нибудь мы сможем выращивать целые растения, стимулировать их защитные системы, а затем собирать какое-то соединение для массового производства».
Преимущества кажутся бесконечными. Но одно можно сказать наверняка: чем глубже мы копаемся в защитных механизмах растений — а MYC являются лишь частью гораздо более крупной головоломки — тем сложнее выглядит их картина.