Открытие может проложить путь к устойчивым к болезням сортам риса

Исследователи обнаружили необычную активность белка в рисе, которую можно использовать, чтобы дать культурам преимущество в эволюционной "гонке вооружений" против пирикуляриоза — серьёзной угрозы для производства риса во всём мире.

Гриб Magnaporthe oryzae, вызывающий пирикуляриоз, образует на растениях риса поражения, снижающие урожайность и качество зерна. Он приводит к потере до трети мирового урожая риса — примерно столько, чтобы прокормить более 60 миллионов человек ежегодно.

Используются различные стратегии защиты от гриба, но устойчивый подход пока не разработан. Стоимость и экологические проблемы ограничивают успех токсичных фунгицидов. А явление, называемое "сцепленным переносом" (linkage drag), когда нежелательные гены передаются вместе с целевыми, затрудняет для селекционеров выведение сортов риса с улучшенной устойчивостью к болезням, но сохраняющих желаемую урожайность.

Технологии редактирования генов в конечном итоге могут быть использованы для точной вставки генов в растения риса, решая проблему сцепленного переноса, но сначала необходимо идентифицировать или сконструировать гены, усиливающие иммунитет риса.

Команда исследователей из Японии и Великобритании сообщает в Journal of Biological Chemistry, что определённый иммунный рецептор риса — из класса рецепторов, которые обычно распознают только единичные патогенные белки — выполняет двойную функцию, запуская иммунные реакции в ответ на два отдельных грибных белка. Гены, кодирующие этот рецептор, могут стать шаблоном для конструирования новых рецепторов, каждый из которых сможет детектировать несколько грибных белков, и тем самым улучшить устойчивость риса к болезням.

Гриб пирикуляриоза использует множество белков, известных как эффекторы, внутри клеток риса. В ответ растения риса эволюционировали гены, кодирующие NLR-белки (nucleotide binding-leucine-rich repeat proteins), которые являются внутриклеточными иммунными рецепторами, "приманивающими" определённые грибные эффекторы. После связывания специфичного грибного эффектора с "приманкой" рецептора NLR запускаются сигнальные пути, вызывающие гибель клетки.

"(Клетки) умирают на очень локализованном участке, чтобы остальная часть растения могла выжить. Это почти как пожертвовать пальцем, чтобы спасти остальное тело", — сказал Марк Бэнфилд, профессор и руководитель группы в John Innes Centre в Норидже, Великобритания, старший автор исследования.

Узнав из предыдущих работ, что грибные эффекторы AVR-Pia и AVR-Pik имеют сходную структуру, исследователи решили выяснить, могут ли какие-либо известные NLR риса, связывающиеся с одним из этих эффекторов, возможно, связываться и с другим, сказал Бэнфилд.

Учёные вводили различные комбинации NLR риса и грибных эффекторов в табак (модельную систему для изучения иммунитета растений), а также использовали растения риса, чтобы показать, могут ли необычные пары взаимодействовать и вызывать иммунные реакции. NLR риса Pikp, связывающий AVR-Pik, как и ожидалось, вызывал гибель клеток в ответ на AVR-Pik, но, что удивительно, эксперименты показали, что растения, экспрессирующие этот NLR, также частично реагировали на AVR-Pia.

Авторы внимательно изучили неожиданную пару с помощью рентгеновской кристаллографии и заметили, что NLR риса обладает двумя отдельными сайтами связывания для AVR-Pia и AVR-Pik.

В своей нынешней форме Pikp вызывает слабые иммунные реакции после связывания с AVR-Pia, однако ДНК рецептора может быть модифицирована для улучшения его сродства к "несоответствующим" эффекторам, сказал Бэнфилд.

"Если мы найдём способ использовать эту возможность, мы сможем создать "супер-NLR", способный связывать несколько эффекторов патогена", — сказал Бэнфилд.

В качестве конечной цели технологии редактирования генов могут быть использованы для вставки улучшенных версий NLR — таких как Pikp — в растения, сказал Бэнфилд, что может склонить чашу весов в пользу рисовых культур в борьбе с пирикуляриозом.