У тополей два растительных гормона усиливают друг друга в защите от патогенных грибов
Вопреки прежним представлениям, защитные гормоны салициловая и жасмоновая кислоты не всегда подавляют друг друга в регуляции химической защиты растений от вредителей и патогенов. У деревьев взаимодействие обоих гормонов может фактически повышать устойчивость растения. К такому выводу пришли исследователи из Института химической экологии Макса Планка в новом исследовании на тополях, опубликованном в New Phytologist.
Учёные показали, что более высокие уровни жасмоновой кислоты также обнаруживались у тополей, которые были модифицированы для выработки повышенного уровня салициловой кислоты или обработаны ею. Растения с более высокими концентрациями обоих гормонов были также более устойчивы к ржавчинному грибу Melamspora larici-populina, без негативного влияния на рост. Знание о положительном взаимодействии этих гормонов, участвующих в устойчивости растений, может помочь лучше защищать тополя и другие деревья от патогенов.
До сих пор в науке существовал широкий консенсус, что сигнальные пути защитных гормонов — салициловой и жасмоновой кислот — действуют в противоположных направлениях. Это неоднократно демонстрировалось на модельном растении Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) и других однолетних травах.
«В отличие от предположения, что гормональные сигнальные пути салициловой и жасмоновой кислот работают противоположным образом, мы уже наблюдали в наших более ранних исследованиях на тополях, что оба этих гормона увеличиваются в ответ на заражение патогенными грибами», — объясняет отправную точку исследования Хана Уллах, первый автор публикации.
Чтобы изучить, как уровни салициловой кислоты влияют на образование жасмоновой кислоты, учёные генетически модифицировали растения чёрного тополя (Populus nigra), чтобы они производили больше салициловой кислоты, чем контрольные растения. В другом эксперименте они наносили салициловую кислоту на листья генетически немодифицированных растений. «Мы манипулировали уровнями салициловой кислоты в тополе с помощью генной инженерии и прямого химического применения, после чего провели обширный химический анализ растений с грибковой инфекцией и без неё. Это позволило нам отделить эффекты салициловой кислоты от других факторов и показать, что она напрямую стимулирует выработку жасмоновой кислоты», — поясняет Хана Уллах.
Растения с высоким уровнем салициловой кислоты также имели более высокие концентрации жасмоновой кислоты. Кроме того, эти растения производили больше антимикробных веществ, известных как флавоноиды, даже при отсутствии инфекции. Сравнительные исследования с растениями, имевшими высокий уровень салициловой кислоты, и контрольными растениями, заражёнными ржавчинным грибком, показали, что высокий уровень салициловой кислоты делал тополя более устойчивыми к грибковой атаке.
Удивительно, но более высокая устойчивость к грибкам из-за усиленной защиты не оказывала негативного влияния на рост растений, как это наблюдалось у Arabidopsis и других однолетних трав. У Arabidopsis либо салициловая, либо жасмоновая кислота берёт на себя контроль над иммунным ответом, в то время как другой гормон подавляется.
«Негативное взаимодействие между защитными гормонами салициловой и жасмоновой кислотами у растений, подобных Arabidopsis, позволяет растению расставлять приоритеты в защите от одного вида врага. Небольшие травы, такие как Arabidopsis, могут выигрывать от такой узкой направленности, поскольку у них нет ресурсов для защиты от разных врагов одновременно. Это также может быть причиной, по которой растения Arabidopsis снижают скорость роста в режиме защиты», — говорит Джонатан Гершензон, руководитель отдела биохимии, где проводилось исследование.
В отличие от однолетних трав, ресурсы обычно менее ограничены для деревьев и других древесных растений. Более того, из-за долгой жизни деревья часто атакуются одновременно разными врагами. Возможно, они эволюционировали, чтобы использовать сигнальные пути салициловой и жасмоновой кислот совместно для защиты. Большая доступность ресурсов у долгоживущих древесных растений также может быть причиной, по которой высокие концентрации салициловой кислоты не влияют на рост тополей.
Исследователи с удивлением обнаружили, что высокие уровни салициловой кислоты у тополей не активировали так называемые PR-гены (гены, связанные с патогенезом), хотя они являются установленными маркерами для сигнального пути салициловой кислоты у Arabidopsis. «Однако мы обнаружили, что величина индукции PR-генов положительно коррелировала с восприимчивостью тополя к ржавчине. По-видимому, активация PR-генов в тополе регулируется не сигнализацией салициловой кислоты, а другим механизмом», — объясняет Хана Уллах.
Команде учёных под руководством Ханы Уллах ещё предстоит выяснить, как именно работает молекулярный механизм положительного взаимодействия между салициловой и жасмоновой кислотами в тополе. Они также хотят узнать, какую роль играют PR-гены в тополе и других древесных растениях. Однако несомненно, что фундаментальное знание о положительном взаимодействии салициловой и жасмоновой кислот в тополе и других родственных деревьях может внести важный вклад в лучшую защиту этих растений от поражения вредителями и болезнями.