Ученые раскрыли арсенал защиты растений и перспективы борьбы с болезнями культур

Исследователи впервые в таком масштабе каталогизировали набор инструментов слежения, которые растения используют для обнаружения болезнетворных микробов, на примере целого вида. Это представляет собой крупный прорыв в биологии растений и имеет важные последствия для борьбы с опасными болезнями сельскохозяйственных культур, угрожающими продовольственной безопасности.

Как и животные, растения полагаются на иммунную систему для защиты от патогенных микробов, таких как бактерии и грибы. Ключевой слой иммунитета формируют белки — рецепторы NLR (Nucleotide-binding Leucine-rich Repeat receptors). Они работают в комбинациях, чтобы распознавать постоянно меняющийся набор микробов в окружающей среде.

Оставались нерешенными ключевые вопросы: каков полный спектр NLR, производимых растениями? Как велико их разнообразие в типичном виде растений? Какой диапазон необходим для защиты?

Международная команда при поддержке Фонда 2Blades (грант Фонда Гордона и Бетти Мур) взялась за изучение репертуара NLR у модельного растения — представителя семейства капустных Arabidopsis. Работа велась в лабораториях Детлефа Вайгеля (Институт биологии развития Макса Планка, Германия), Джеффри Дангла (Медицинский институт Говарда Хьюза и Университет Северной Каролины) и Джонатана Джонса (Лаборатория Сэйнсбери, Великобритания). В исследовании, опубликованном в журнале Cell, также участвовали ученые из Университета Бата, Университета штата Колорадо и Центра исследований в области сельскохозяйственной геномики (Барселона).

Команда взяла образцы растений Arabidopsis (подверженных атакам различных патогенов) из популяций Европы, Северной Америки и Азии. Используя современные технологии секвенирования, они проанализировали генетическое разнообразие NLR растений. Оказалось, что репертуар NLR различается в зависимости от местоположения, вероятно, из-за разного эволюционного давления со стороны региональных патогенов. Но ученые с удивлением обнаружили верхний предел количества генов NLR у всего вида.

Как отметил Вайгель: «Хотя разнообразие, возможно, более ограничено, чем ожидалось, именно смешение генов делает каждую особь уникально устойчивой к своему спектру патогенов».

Это исследование также изменит подход ученых в будущем, говорит Джонс: «Один из примечательных выводов заключается в том, что для определения полного репертуара иммунной системы любого растения необходимо секвенировать очень много популяций. Прошли времена, когда одной референсной последовательности было достаточно, чтобы раскрыть секреты вида; теперь ясно, что для понимания его иммунной системы нужно понимать его генетическое разнообразие».

Исследование имеет большое значение для понимания сельского хозяйства и эволюции растений. «Эта работа поможет открыть новые функции рецепторов NLR для создания устойчивых к болезням культур, а также направлять анализ их эволюции в царстве растений», — сказал Дангл.

Координацию и поддержку исследования обеспечил Фонд 2Blades. Его программы уже показали в полевых испытаниях, что защиту от серьезных болезней можно расширить, вводя в культуры гены устойчивости от родственных видов растений. Фундаментальные знания о NLR из этого исследования будут информировать стратегии в текущих программах фонда и в области взаимодействия растений и микробов в целом. Исследование частично финансировалось Фондом Гордона и Бетти Мур через грант GBMF4725 Фонду 2Blades.