Структурная основа для создания устойчивых к грибковым болезням злаков

Мучнистая роса — разрушительное грибковое заболевание ячменя, которое может привести к потере до 40% урожая. Для защиты ячмень эволюционировал ряд иммунных рецепторов, каждый из которых распознаёт соответствующие, специфичные для штамма белки гриба-возбудителя, известные как эффекторы.

Это распознавание обеспечивает устойчивость. Понимание механизмов этого взаимодействия может быть использовано учёными для повышения устойчивости ячменя и родственных видов, таких как пшеница, к этому дорогостоящему заболеванию.

Используя передовые технологии, учёные из Института селекции растений Общества Макса Планка (MPIPZ) в Кёльне (Германия) определили структуру, образованную иммунным рецептором MLA13 в комплексе с его соответствующим грибковым эффектором AVRA13-1. Результаты опубликованы в EMBO Journal.

Исследователи под руководством Пола Шульце-Леферта (MPIPZ), Эльмара Бехрманна (Кёльнский университет) и Цзе Чая (Университет Уэстлэйк, Ханчжоу, Китай) использовали технику криогенной электронной микроскопии (cryo-EM). В этом методе образцы охлаждаются до криогенных температур, а структуры биологических объектов, таких как белки, сохраняются путём погружения в аморфный лёд.

Полученная структура с атомным разрешением показывает, как взаимодействуют растительный иммунный рецептор и грибковой эффектор, а также раскрывает структуру самого эффектора.

Эти данные позволили первому автору Аарону У. Лоусону создать новую версию другого иммунного рецептора, MLA7, который распознаёт эффектор AVR_A7. Последовательности рецепторов MLA очень похожи друг на друга, что также характерно для MLA7 и MLA13.

Основываясь на структуре комплекса MLA13-AVR_A13-1, авторы задались вопросом, можно ли изменить специфичность распознавания MLA7. Действительно, изменив всего одну аминокислоту в белковой последовательности MLA7, им удалось создать новую версию рецептора, которая теперь распознаёт AVR_A13-1, сохраняя при этом способность узнавать AVR_A7.

Традиционная селекция растений — это кропотливый и длительный процесс скрещиваний для получения растений с желаемым сочетанием признаков. Однако гриб, вызывающий мучнистую росу на ячмене, очень быстро диверсифицируется, а значит, традиционные методы селекции не могут угнаться за появлением новых вирулентных вариантов патогена.

Показав, как можно целенаправленно изменять или расширять специфичность иммунных рецепторов — метод, который гораздо более точен и быстр, чем традиционная селекция, — авторы демонстрируют, что структуро-ориентированное генное редактирование таких рецепторов может стать жизнеспособным инструментом для защиты ячменя от болезней и обеспечения продовольственной безопасности.

Гены, кодирующие иммунные рецепторы MLA, эволюционировали у общего предка семейства злаков, включающего родственные виды: ячмень, пшеницу, овёс и рожь, и присутствуют у каждого из этих злаков. Поскольку рецепторы MLA также могут обеспечивать иммунитет к другим микробным патогенам, таким как ржавчинные грибы и возбудитель пирикуляриоза риса, отредактированные гены рецепторов MLA потенциально способны защитить эти основные сельскохозяйственные культуры от множества экономически значимых заболеваний.