Как растения защищаются от патогенов: роль кальция и киназ
Понимание иммунного ответа растений имеет ключевое значение для разработки новых стратегий борьбы с бактериями и грибками, вызывающими значительные потери урожая.
Группа биологов под руководством профессора Йорга Кудлы из Мюнстерского университета идентифицировала важные компоненты и механизмы молекулярного аппарата, передающего информацию о встрече с патогеном внутри организма растения.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, также даёт подсказки о том, как растения передают иммунные сигналы от клетки к клетке, не нарушая другие сигнальные цепи в поражённых клетках.
При заражении патогенами растения запускают двухфазный иммунный ответ, который сначала развивается непосредственно в месте инфекции, а затем распространяется по всему организму, подготавливая остальные части растения к возможной атаке.
Ключевую роль в этом процессе играют сигналы кальция. Повреждение ткани патогеном запускает кальциевые сигналы, которые передаются от клетки к клетке. Кроме того, клетки используют фермент NADPH оксидазу в клеточной мембране для высвобождения активных форм кислорода (АФК) в качестве сигнальных молекул. АФК взаимодействуют с кальциевыми сигналами, обеспечивая системное распространение иммунного ответа.
До сих пор взаимодействие между кальцием и АФК, а также регуляция NADPH оксидазы кальций-зависимым фосфорилированием были изучены не полностью.
Команда Кудлы впервые показала, что для эффективного распространения системного иммунного сигнала должны совместно работать две разные киназы, активируемые кальцием. Этот "би-киназный модуль" сенсибилизирует NADPH оксидазу к кальцию и обеспечивает синергетическую активацию этого фермента, что приводит к выработке большего количества АФК.
Одна из двух кальций-зависимых киназ была известна ранее, а вторую идентифицировали в рамках данного исследования. "Такой кальций-активируемый би-киназный модуль никогда ранее не описывался", — поясняет Кудла.
На основе наблюдений биологи предложили модель механизмов системной иммунной сигнализации у растений:
- Под действием патогена третья киназа внутри инфицированной клетки запускает генерацию внеклеточных АФК, которые диффундируют к поверхности соседних клеток.
- Эти АФК не только запускают новые кальциевые сигналы в соседних клетках, но и активируют кальций-зависимый би-киназный модуль.
- Би-киназный модуль, в свою очередь, активирует высвобождение новых порций АФК, что вызывает новый приток кальция в соседние клетки.
Таким образом, сигнал распространяется без прямого контакта затронутых клеток с патогеном.
"Удивительно, но мы наблюдали, что интенсивность движущегося кальциевого сигнала относительно слаба, и всё же её достаточно для активации NADPH оксидазы через би-киназный модуль. Вероятно, это вызвано сенсибилизацией этого фермента. Мы выяснили молекулярные механизмы этой сенсибилизации", — говорит Кудла.
"Мы также предполагаем, что это позволяет слабому кальциевому сигналу распространяться от клетки к клетке, не нарушая другие кальций-зависимые сигнальные процессы, протекающие в этих клетках одновременно". Как именно клетки регулируют силу кальциевого сигнала, пока неизвестно.
Для исследования команда комбинировала различные молекулярно-генетические, клеточно-биологические и биохимические методы. Распространение кальциевых сигналов в тканях изучали на трансгенных растениях резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), анализируя биосенсорные белки для кальция с помощью микроскопии высокого разрешения. Для дальнейших исследований использовали культуры человеческих клеток, в которых воссоздавали растительный сигнальный путь.
В проекте также участвовали группа профессора Ирис Финкемайер из Мюнстерского университета и группа профессора Тины Ромейс.