Патогены атакуют растения как хакеры: защита урожая по принципам кибербезопасности

Растения кормят человечество. Без них нам не выжить. Тысячи лет селекции и генетической модификации позволили создать высокопродуктивные сельскохозяйственные культуры. К сожалению, микробы находят эти растения не менее вкусными, чем мы. Патогены растений — это хакеры. Они специализируются на скрытном проникновении и нарушении работы систем, отключают защиту и получают доступ к ресурсам. Их цель — наша еда. До 25% мирового урожая теряется от болезней еще до попадания на рынок.

Оомицеты — главные «хакеры»

Наиболее печально известные и искусные «хакеры» растений — это оомицеты. Картофельный голод в Ирландии в 1840-х годах был вызван оомицетом Phytophthora (с греч. «пожиратель растений»). Эта биологическая катастрофа привела к массовой эмиграции и навсегда изменила историю. Сегодня оомицеты и другие патогены остаются угрозой глобальной продовольственной безопасности, способствуют недоеданию и ежегодно наносят ущерб на миллиарды долларов.

Оомицеты — эволюционная аномалия. Они выглядят и ведут себя как грибы, но генетически родственны водорослям. Они проникают в растение в виде микроскопических спор, устанавливают связь с клетками хозяина и получают полный контроль: отключают иммунную систему и расхищают питательные вещества.

Их эволюционное преимущество — «двухскоростной геном»:

Эта быстрая изменчивость позволяет оомицетам обходить медленно эволюционирующую иммунную систему растений, особенно в монокультурах.

Стратегии защиты: от пестицидов до генетики

Основным инструментом борьбы с болезнями растений пока остаются пестициды. Фермеры стремятся использовать минимальные эффективные дозы, чтобы снизить риск развития устойчивости у патогенов. Например, Cucurbit Downy Mildew Forecast Service в Джордгии прогнозирует распространение болезни на основе погодных данных, что позволяет применять обработки только в периоды высокого риска.

Однако необходимы и другие стратегии.

Устранение «уязвимостей» в системе растения

В лаборатории Макдауэлла в Virginia Tech исследуют новые способы борьбы с оомицетами. Подход аналогичен кибербезопасности: нужно найти и закрыть уязвимости (loopholes), которые эксплуатирует патоген.

Например, некоторые оомицеты утратили способность синтезировать ключевые питательные вещества и полностью зависят от растения-хозяина. Без этих «слабых мест» патоген бы погиб от голода, так и не вызвав болезнь.

Исследования проводятся на модельном растении Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля). Ученые отключают у растений отдельные гены, связанные с транспортом, хранением и регуляцией питательных веществ, и смотрят, как это повлияет на устойчивость к инфекции.

Цель — найти гены восприимчивости (susceptibility genes), то есть компоненты растительной клетки, без которых патоген не может выжить. Если такое растение с отключенным геном остается жизнеспособным, но становится более устойчивым к болезни, значит, найдена потенциальная «уязвимость», которую можно устранить с помощью селекции или генной инженерии.

Перспективы

Ни одна система защиты не идеальна, но закрытие уязвимостей значительно усложняет задачу «хакерам». Комбинация ограниченного применения пестицидов и выведения устойчивых сортов (путем селекции или генной инженерии) может повысить продуктивность существующих сельхозугодий, что критически важно для растущего населения планеты.