Как патогены захватывают растения-хозяева

Ежегодные потери урожая из-за заражения бактериями и другими патогенами превышают $500 млрд. Исследовательская группа под руководством Департамента биологии растений Института Карнеги разработала новый метод для выявления того, как патогены перехватывают питательные вещества растений, чтобы захватить организм.

Они обнаружили новое семейство пор, транспортирующих сахар из растения. Бактерии и грибы захватывают эти поры, чтобы получить доступ к сахару растения для питания. Первая цель любого патогена — получить доступ к запасам пищи хозяина, чтобы иметь возможность размножаться в больших количествах. Впервые у учёных появился прямой инструмент для контроля снабжения патогенов пищей и, следовательно, новое средство предотвращения широкого спектра болезней и потерь урожая.

Мутация генов белков-пор предотвращает заражение патогенами, например, бактериальным ожогом у риса. При отсутствии патогена белки пор, называемые SWEET, поставляют сахара развивающейся пыльце и могут быть даже давно разыскиваемыми поставщиками нектара в цветках.

Исследователи обнаружили, что люди и животные производят похожий белок поры, который может играть роль в высвобождении сахаров из клеток кишечника, печени, семенников и молочных желёз у животных, включая человека.

Исследования, описывающие технологию на основе сенсора флуоресцентного резонансного переноса энергии (FRET) для идентификации белков пор, появились в FASEB Journal (апрель 2010) и Biochemical Journal (сентябрь 2010). Идентификация новых транспортеров опубликована в выпуске Nature от 25 ноября 2010 года.

Ведущий автор исследования Ли-Цин Чен объясняет патогенный процесс: «Первичная цель патогена — использовать питательные ресурсы растения. Они проникают в пространства между клетками, где разбивают лагерь, питаются и размножаются. Патогенные бактерии вводят в клетку белки-активаторы, которые напрямую индуцируют экспрессию того, что мы называем транспортерами выноса сахара. Наши новые транспортеры сахара — маленькие шлюзы, выпускающие сахар из клетки — на плазматической мембране клеток, как оказалось, необходимы для размножения бактерий. Без пищи бактерии не могут делиться и размножаться и, следовательно, не могут заражать другие растения».

До этого исследования та же лаборатория идентифицировала механизмы импорта, которые закачивают сахар в клетки, и искала неуловимый механизм откачки сахара из клеток.

Растения преобразуют энергию солнечного света в сахар для питания пыльцы, семян и нектара, а также для культивирования полезных микробов в почве. Работа исследователей с растениями, содержащими FRET-наносенсоры сахара, привела их к гипотезе, что в растениях должны присутствовать ещё неизвестные сахарные поры. Они искали потенциальные транспортеры сахара, скринируя гены, которые могут создавать пороподобную активность в клеточной мембране у Arabidopsis — родственника горчицы, широко используемого в исследованиях.

Они экспрессировали эти гены вместе со своими FRET-сенсорами в человеческих клетках, которые очень неэффективно поглощают сахара, поэтому наносенсоры не регистрировали транспорт сахара. Однако, когда гены сахарных пор экспрессируются с наносенсорами, исследователи получают оптический отчёт о транспорте сахара в клетку. Новые белки пор у Arabidopsis оказались имеющими аналоги у риса, червя C. elegans и человека.

Затем учёные обнаружили, что патогенные бактерии и грибы, вызывающие мучнистую росу, захватывают разных членов семейства SWEET, чтобы получить доступ к питательным ресурсам растения. Гены SWEET являются «кузенами» одного из самых важных генов устойчивости риса к ожогу, широко используемого по всей Азии для предотвращения инфекций. Исследователи показали, что ген устойчивости риса Xa13 (изначально идентифицированный группой Фрэнка Уайта из Канзаса и лабораторией Шипин Вана из Хуачжунского сельскохозяйственного университета, Китай) также функционирует как сахарная пора. Когда продукция поры подавляется, растение становится устойчивым к бактерии ожога. Этот результат предполагает, что белок поставляет сахар бактерии во время инфекции.

Поскольку разные патогены пытаются захватить разные гены пор, лекарство, способное блокировать активность всех «кузенов» SWEET одновременно, отключило бы снабжение сахаром патогена, которому для жизни требуется хозяин. Такое лекарство могло бы стать мощным новым способом снижения потерь урожая от широкого спектра патогенов. Исследование меняет перспективу исследователей взаимоотношений растений и патогенов, добираясь до корня процесса заражения. Понимание этого процесса продвинет исследования по предотвращению инфекций против самых разных патогенов — бактериальных и грибковых.

Вынос сахара также оставался загадкой в человеческих и животных системах. Он необходим в нашем кишечнике для переноса сахаров, полученных из пищи, в кровоток, и из печени во время голодания для поддержания постоянного уровня глюкозы в крови. Тот факт, что исследователи также нашли похожий ген HsSWEET1 у людей, который опосредует отток сахара в печени и кишечнике, предполагает, что изучение этого гена может открыть новые пути для исследований диабета.

«Эти открытия, сделанные на модельном растении Arabidopsis, открыли совершенно новое направление исследований для разработки более совершенных методов защиты урожая. В частности, селекция растений и генетические изменения, предотвращающие захват функции пор, могут служить для обеспечения устойчивости к некоторым проблемным болезням растений», — отметил Фрэнк Уайт из Канзасского университета, соавтор исследования. «Поскольку одни и те же гены присутствуют у многих разных организмов, включая людей, эти гены также могут быть важны для медицины».