Два исследования, опубликованные в журнале Science учеными из Института исследований селекции растений Макса Планка в Кельне, Германия, в сотрудничестве с коллегами из Китая, обнаружили естественные клеточные молекулы, которые управляют критическими иммунными реакциями растений. Эти соединения обладают всеми признаками того, что они являются небольшими посыльными, приспособленными растениями для включения ключевых центров управления обороной. Использование этих знаний может позволить ученым и селекционерам разработать молекулы, которые сделают растения, в том числе многие важные виды сельскохозяйственных культур, более устойчивыми к болезням.
Мировое производство продовольствия должно удвоиться к 2050 году, чтобы к тому времени прокормить ожидаемые дополнительные 2 миллиарда человек, живущих на Земле. Увеличение производства продовольствия требует повышения урожайности многих наших основных сельскохозяйственных культур. Для этого необходимо разработать стратегии, позволяющие сделать растения более устойчивыми к микроскопическим инфекционным агентам, а также обеспечить экологическую безопасность производства продуктов питания. Достижение этого, в свою очередь, требует детального понимания иммунной системы растений — защиты, которую растения выстраивают при столкновении с вторгающимися микроорганизмами.
Теперь, в двух исследованиях, ученые под руководством Джиджи Чай и Джейн Паркер из Института исследований селекции растений им. Макса Планка в Кельне и Кельнского университета в Германии в сотрудничестве с группой Цзюньбяо Чанга из Университета Чжэнчжоу в Чжэнчжоу и Чжифу Хань и его коллеги из Цинхуа Университет в Пекине, Китай, идентифицировал два класса молекул и определил их способы действия в опосредовании иммунных ответов внутри растительных клеток. Их результаты прокладывают путь к разработке биоактивных малых молекул, которые могут позволить исследователям и растениеводам манипулировать и тем самым повышать устойчивость растений к вредным микробам.
На молекулярном уровне основная иммунная стратегия, используемая растениями, включает белки, называемые нуклеотидсвязывающими рецепторами повторов, богатыми лейцином, или сокращенно NLR. NLR активируются вторжением микроорганизмов и запускают защитные иммунные реакции. Эти иммунные реакции завершаются так называемой гиперчувствительной реакцией, которая включает ограничение роста возбудителя и часто строго ограниченную гибель клеток в месте заражения — сродни ампутации пальца ноги для обеспечения выживания организма.
Было показано, что один класс белков NLR, имеющих так называемые домены рецептора толл/интерлейкина-1 (TIR), которые называются TIR-NLR (или TNL), передают сигналы нижестоящему иммунному белку Enhanced Disease Susceptibility 1 (EDS1). Меньшие белки, содержащие TIR, также передают сигналы в EDS1, чтобы усилить устойчивость к болезням. EDS1 функционирует как центр управления, который, в зависимости от типов других белков, с которыми он взаимодействует, подталкивает растительные клетки к ограничению роста патогенов или к гибели клеток. Более ранняя работа показала, что рецепторы TNL и белки TIR на самом деле являются ферментами, индуцированными патогенами. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что эти ферменты TIR продуцируют небольшой мессенджер или мессенджер (ы), которые передают сигналы EDS1 внутри клеток. Однако идентичность точных молекул, генерируемых TNL или TIR, которые стимулируют различные иммунные ответы, остается неуловимой.
Паркер и его коллеги установили, что два функциональных модуля EDS1, приводящие к иммунитету или гибели клеток, могут запускаться активируемыми патогенами ферментами TNL внутри растительных клеток. Чтобы идентифицировать небольшие молекулы, продуцируемые TNL или TIR и действующие на EDS1, группа Chai восстановила ключевые компоненты сигнального пути в клетках насекомых, систему, которая позволяет производить и очищать большое количество молекул, которые затем можно выделить и охарактеризовать. Используя этот подход, авторы обнаружили два разных класса модифицированных нуклеотидных молекул, продуцируемых TNL и TIR. Эти соединения преимущественно связывались с различными субкомплексами EDS1 и активировали их. Следовательно, авторы демонстрируют, что различные субкомплексы EDS1 распознают определенные молекулы, продуцируемые TIR, которые функционируют как химические вещества, несущие информацию.
Иммунные рецепторы TIR и белки-концентраторы EDS1 существуют во многих важных видах сельскохозяйственных культур, таких как рис и пшеница, и Джиджи Чай указывает, что «идентифицированные небольшие молекулы, катализируемые TIR, могут использоваться в качестве общих и естественных иммуностимуляторов для борьбы с болезнями сельскохозяйственных культур». Джейн Паркер далее отмечает, что «знание биохимических способов действия этих небольших молекул открывает совершенно новую главу в области передачи сигналов иммунитета растений и борьбы с болезнями».
