Британські та японські науковці зробили крок до створення зернових культур із ширшою та стійкішою імунною відповіддю на пірикуляріоз — одну з найнебезпечніших грибних хвороб рису, яка вже уражує пшеницю та ячмінь у частині країн Азії й Африки. Дослідникам вдалося біоінженерними методами модифікувати імунні рецептори рослин так, щоб вони могли розпізнавати одразу кілька білків патогена. Наступний етап — перевірити технологію на рослинах у тепличних умовах.
Новий підхід спрямований проти Magnaporthe oryzae
У центрі дослідження — гриб Magnaporthe oryzae, збудник пірикуляріозу (blast disease). Він становить особливо серйозну загрозу для рису, однак його форми також поширилися на пшеницю та ячмінь у деяких регіонах Азії й Африки. За оцінкою, наведеною авторами дослідження, щороку через пірикуляріоз втрачається така кількість рису, якої вистачило б для харчування близько 60 млн людей. У пшениці хворобу вперше виявили у Бразилії у 1980-х роках, після чого вона поширилася в інші регіони.
Як рослина розпізнає атаку гриба
Щоб інфікувати рослину, патогени на кшталт Magnaporthe oryzae вводять у клітини листків і стебел спеціальні білки — ефектори. Вони впливають на роботу клітин рослини-господаря та допомагають збуднику розвивати інфекцію.
У відповідь рослини використовують імунні рецептори, здатні розпізнавати чужорідні молекули. Після виявлення ефектора запускається захисна реакція, зокрема локалізована загибель клітин, що допомагає обмежити подальше поширення патогена.
Протягом десятиліть значна частина досліджень рослинного імунітету була зосереджена на рецепторах класу NLR — nucleotide-binding and leucine-rich repeat receptors.
Однак останніми роками увагу науковців привернув інший клас внутрішньоклітинних імунних рецепторів зернових — тандемні кіназні білки (TKP).
Імунні рецептори вдалося «переналаштувати»
Попередні дослідження показали, що TKP можуть містити інтегрований домен HMA (Heavy Metal Associated). Саме він відіграє важливу роль у розпізнаванні ефекторів патогенів.
Команда використала біофізичний аналіз і кристалографію, щоб із високою роздільною здатністю дослідити взаємодію між HMA-доменами рослинних рецепторів та ефекторами Magnaporthe oryzae.
Науковці встановили, що HMA-домени фактично можуть працювати як своєрідна біологічна «приманка», зв’язуючи білки, які патоген використовує під час інфікування.
Розуміння структури цієї взаємодії дозволило дослідникам модифікувати імунні TKP-рецептори. У результаті їм вдалося надати рецепторам подвійну специфічність — здатність зв’язувати ефектори, пов’язані з інфікуванням як пшениці, так і ячменю. У природних умовах така властивість трапляється нечасто.
У перспективі зернові можуть отримати кілька рівнів захисту
Результати відкривають можливість конструювати нові рецептори стійкості, здатні одночасно реагувати на декілька ефекторів збудника. Науковці також розглядають можливість поєднання різних механізмів імунітету. Зокрема, у майбутньому в одній рослині потенційно можна буде комбінувати гени, що кодують TKP та NLR-рецептори, спрямовані проти однієї хвороби.
За словами керівника дослідження професора Марка Бенфілда, ці два класи рецепторів, імовірно, активують рослинний імунітет різними способами. Тому їхнє поєднання потенційно може зробити захист стійкішим і ускладнити патогену еволюційне подолання стійкості рослини.
У подальшому конструювання нових HMA-доменів також може поєднуватися з технологіями точної селекції та штучного інтелекту.
Поки технологію випробували лише на окремих клітинах пшениці
Водночас дослідники наголошують: йдеться поки що про proof-of-concept, а не про готовий сорт стійкої пшениці чи ячменю.
Експерименти проводили на протопластах — окремих клітинах пшениці, які використовували як модель замість цілої рослини.
Наступним етапом стане перенесення отриманих результатів на рослини та їх випробування в тепличних умовах.
Якщо підхід підтвердить ефективність на рівні цілої рослини, технологія може стати основою для створення зернових із ширшим спектром генетичної стійкості до пірикуляріозу.