Учёные пролили свет на гонку вооружений между ячменём и грибковым патогеном

Учёные из Института биохимии растений Лейбница (IPB) вместе с коллегами из Кёльнского университета обнаружили новую группу защитных веществ в ячмене, эффективных против широкого спектра грибковых патогенов. Исключением стал возбудитель корневой гнили Bipolaris sorokiniana. Этот гриб нейтрализует защитные вещества и использует их для лучшего роста.

Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Molecular Plant. Учёные наглядно показали, как патоген не только обходит иммунную систему растения, но и успешно использует её в своих интересах.

Грибковые патогены вызывают значительные потери урожая таких культур, как ячмень, кукуруза и пшеница, особенно в тёплых регионах. Из-за потепления в северном полушарии они представляют растущую угрозу и в наших широтах.

Растения не беззащитны против атаки патогенов. После проникновения микроорганизмов в корневую ткань растение производит ряд различных защитных веществ — фитоалексинов. Каждый вид растений имеет свой арсенал фитоалексинов. Эти соединения структурно разнообразны и используют разные механизмы действия для сдерживания патогенов.

Учёные IPB обнаружили ряд новых фитоалексинов в корнях растений ячменя после заражения их различными грибковыми патогенами. Найденные защитные метаболиты относятся к классу дитерпеноидов. Отталкиваясь от латинского названия ячменя (Hordeum vulgare), им дали название хордеданы.

Всего в корнях заражённого ячменя было обнаружено 17 различных хорседанов. Учёным также удалось успешно выяснить метаболический путь внутри растения, ведущий к производству этих соединений.

Хорседаны действуют как противогрибковое средство широкого спектра. Прежде всего, они ингибируют прорастание спор и рост некоторых вредных, а также полезных видов грибов. Однако было обнаружено удивительное исключение: рост гриба Bipolaris sorokiniana не только не подавлялся хорседанами, но даже усиливался в присутствии этих фитоалексинов, изначально произведённых для его отпугивания.

Это было обнаружено с использованием мутантов ячменя с ослабленной защитой, которые больше не могли производить хорседаны. Bipolaris sorokiniana рос медленнее в этих мутантах, чем в растениях дикого типа.

Точный механизм этой грибковой контратаки пока неизвестен. Однако дальнейшие исследования с наиболее заметным соединением хорседана — 19-β-гидрокси-хордетриеновой кислотой (19-OH-HTA) — показали, что Bipolaris sorokiniana способен окислять 19-OH-HTA и связывать её с грибковыми метаболитами. Это, по-видимому, нейтрализует действие фитоалексина.

Одновременно гриб модифицирует свою паразитическую форму существования. Bipolaris sorokiniana сначала питается живыми клетками растения, которые затем уничтожает. Патоген очень быстро растёт в живых клетках, тогда как в мёртвой растительной ткани он образует больше спор для заражения новых растений-хозяев.

Преобразуя растительные хорседаны в грибковые структуры, патоген может активировать молекулярную сигнальную цепь, которая позволяет ему дольше сохранять клетку растения-хозяина живой, а не убивать её сразу. Это облегчает более длительную и успешную фазу роста, как предполагают учёные. Гриб ломает остриё копья растения и использует его для собственного роста.

Исследование наглядно иллюстрирует, что взаимодействия между патогенами и их растениями-хозяевами очень сложны и всё ещё плохо изучены. В этом взаимодействии патогены выступают в качестве движущих сил эволюции. Они заставляют хозяина постоянно вырабатывать новые адаптивные реакции, которые, в свою очередь, патогены срывают, преодолевают или обращают в свою пользу. Благодаря этим взаимным контратакам все вовлечённые организмы постоянно эволюционируют.