Не так просты: Мхи и папоротники открывают новые возможности для защиты урожая
Мхи, печёночники, папоротники и водоросли могут стать новым перспективным направлением исследований в глобальной задаче защиты сельскохозяйственных культур от болезней.
Эти нецветковые растения часто считаются менее сложными по сравнению с цветковыми, к которым относятся основные культуры. Однако новое исследование John Innes Centre показало, что нецветковые бриофиты, и особенно мхи, обладают сложными репертуарами иммунных рецепторов.
«Несосудистые и нецветковые бриофиты часто воспринимаются как простые предшественники цветковых растений, но мы обнаружили, что мхи, в частности, имеют расширенный набор иммунных рецепторов, возможно, самый сложный среди растений», — заявил автор исследования доктор Фил Карелла.
Биотехнологические методы показали, что домены NLR-иммунных рецепторов, защищающих растения от патогенов, можно переносить между цветковыми и нецветковыми растениями.
«Самое интересное в этом исследовании то, что разнообразный иммунитет нецветковых растений, таких как мхи, можно переносить. Это даёт нам источник новых генов устойчивости к патогенам», — добавил доктор Карелла.
Это открытие открывает новые возможности для конструирования иммунитета у основных культур, которые сталкиваются с растущей угрозой со стороны новых и быстро эволюционирующих патогенов, усугубляемой изменением климата. Исследование опубликовано в The Plant Cell.
Исследование иммунитета у древних растений
Растения развили богатые лейцином повторы (NLR) иммунных рецепторов для обнаружения патогенов за миллионы лет. NLR цветковых растений хорошо изучены, но гораздо меньше известно о рецепторах из других линий нецветковых, несосудистых бриофитов.
Бриофиты отделились от цветковых растений более 500 миллионов лет назад, и знания об их иммунной системе ограничены. Используя комбинацию генетических и вычислительных инструментов, команда сосредоточилась на N-концевом домене NLR-рецепторов, который кодирует биохимическую основу иммунитета растений.
Они обнаружили замечательное структурное и функциональное сходство между доменами иммунных рецепторов у различных линий растений, несмотря на высокую вариабельность генетических последовательностей этих доменов.
Функциональный перенос между растениями
С помощью методов транзиентной экспрессии учёные перенесли гены иммунных рецепторов, полученные от нецветковых растений (например, печёночника Marchantia polymorpha), в цветковое растение Nicotiana benthamiana (карликовый табак).
Разнообразные домены иммунных рецепторов активировали сильный иммунный ответ при временной экспрессии в цветковых растениях. Обратное также оказалось верным: иммунный домен от цветковых растений можно было функционально перенести в нецветковые.
Тот факт, что эти домены переносимы и функционируют через эволюционные границы растений, является прорывом в понимании и предлагает практическое применение для защиты урожая.
«Это означает, что мы можем использовать нецветковые растения, такие как мхи или печёночники, в качестве источника новых генов устойчивости к патогенам сельскохозяйственных культур. Мы показываем, что можем использовать огромное эволюционное разнообразие иммунных рецепторов со всего царства растений. Таким образом, наши возможности для конструирования иммунитета гораздо шире, чем мы изначально думали», — пояснил доктор Карелла.
Будущие направления
Команда также исследует эволюционные новшества, закодированные в бриофитах, как источник для открытия генов, которые можно использовать для защиты культур от болезней.
Будущие эксперименты будут направлены на:
- Идентификацию молекул патогенов, запускающих иммунитет у различных растений.
- Понимание того, как компоненты иммунного рецептора объединяются для активации иммунного ответа.
Исследование также даёт важное биологическое понимание.
«Часто считается, что цветковые растения — вершина эволюции. Но наше исследование показывает, что у нецветковых растений, вероятно, существует сложная биохимия иммунных рецепторов, которая может стать новым резервуаром для иммунитета, если мы сможем перенести её в сельскохозяйственные культуры», — отметил доктор Карелла.