Биологи выяснили, что салициловая кислота и РНК-интерференция обеспечивают противовирусный иммунитет стволовых клеток растений

Вирусы угрожают всем организмам, включая растения. Однако небольшая группа стволовых клеток растения успешно защищает себя от заражения.

Марко Инкарбоне (ныне в MPIMP Golm), Габриэле Брадаманте и их коллеги из Института молекулярной биологии растений Грегора Менделя (GMI) обнаружили, что салициловая кислота и РНК-интерференция опосредуют этот противовирусный иммунитет стволовых клеток растений. Результаты были опубликованы в PNAS 12 октября.

Растительные вирусы угрожают здоровью своих хозяев, могут быстро и глобально распространяться и снижают продуктивность сельского хозяйства. Когда вирусы успешно заражают растения, инфекция часто распространяется по всему организму. Почти по всему: одна небольшая группа несгибаемых клеток — стволовые клетки в кончике побега — держит оборону. Эта группа клеток генерирует все надземные ткани растения, включая следующее поколение, и по причинам, которые до сих пор плохо изучены, вирусы не могут размножаться в этих клетках.

Марко Инкарбоне (ранее постдок в группе Ортрун Миттельстен Шайд в GMI, а теперь руководитель группы в Институте молекулярной физиологии растений Макса Планка в Германии) вместе с аспирантом Габриэле Брадаманте и другими членами групп GMI стремился раскрыть молекулярные основы того, как стволовые клетки в апикальной меристеме побега борются с вирусами.

Чтобы понять мощную противовирусную защиту этой особой группы клеток, исследователи сначала создали платформу для скрининга. «Мы разработали методы высокопроизводительной микроскопии, которые позволили нам изучить множество меристем Arabidopsis в несколько моментов времени после вирусной инфекции, чтобы придать нашему исследованию временное измерение», — объясняет Инкарбоне.

Используя этот динамичный, полуколичественный подход, исследователи наблюдали, как вирус мозаики турнепса (Turnip mosaic virus) — их модельный растительный вирус — распространяется в модельном растении Arabidopsis thaliana, достигает стволовых клеток в кончике побега и даже проникает в эти клетки, но затем быстро из них удаляется. «К удивлению, эти клетки действительно хорошо умеют изгонять вирус».

Предыдущие работы на близком родственнике табака дали ключи к пониманию того, что РНК-интерференция — путь, подавляющий размножение вирусов у растений и многих животных — играет роль в исключении вируса у растений. В поисках молекулярных основ защиты исследователи провели скрининг мутантных растений Arabidopsis, у которых отсутствуют определенные компоненты пути РНК-интерференции. Кроме того, они изучили растения с дефицитом салициловой кислоты — ключевого гормона защиты растений.

В ходе серии целевых экспериментов исследователи смогли увидеть, что во время вирусной инфекции активируется выработка салициловой кислоты. «Растение распознает вирус и запускает салициловую кислоту как сигнал тревоги». Салициловая кислота, в свою очередь, активирует ключевой фактор усиления РНК-интерференции, называемый RDR1. RDR1 увеличивает производство двуцепочечной РНК из вирусной РНК, давая растению больше вирус-специфических последовательностей для нацеливания защитного механизма на вторгшийся вирус.

«В борьбе с вирусом мозаики турнепса и салициловая кислота, и RDR1 необходимы для изгнания вируса из стволовых клеток — однако RDR1 производится не в самих стволовых клетках, а в ткани под ними и в сосудистой системе», — добавляет Инкарбоне.

«Там он генерирует РНК-основанную и, скорее всего, мобильную информацию, которая иммунизирует стволовые клетки от поступающего вируса. Хотя мы знаем, что инфекция вызывает общее увеличение салициловой кислоты, мы еще не знаем, где в растении и в какое время во время инфекции это происходит. В настоящее время мы пытаемся решить эту загадку».

Но каждый вирус уникален. В борьбе с другими вирусами салициловая кислота и RDR1 активируются, но не обязательно требуются. «Однако, основываясь на наших экспериментах с другими вирусами, мы можем сделать вывод, что РНК-интерференция всегда необходима для защиты стволовых клеток от инфекции».

Тем не менее, стволовые клетки хранят загадку: растительные вирусы часто уклоняются от РНК-интерференции и подавляют ее в других тканях растения. «Почему вирусы могут подавлять РНК-интерференцию в большей части растения, но не в этих особых клетках? Это остается главным вопросом».

В последующей работе Инкарбоне теперь будет исследовать, как вирусам не дают проникнуть в семена и потомство зараженного растения — которые развиваются из защищенных стволовых клеток. «Наши выводы добавляют важные знания о том, как работает противовирусная защита стволовых клеток, и дают надежную молекулярную основу для дальнейших исследований».