Опасный грибок угрожает мировым запасам продовольствия. Учёные нашли новый способ защиты

Опасный грибок ежегодно уничтожает столько риса, что его хватило бы для питания примерно 60 миллионов человек. Он также поражает пшеницу и ячмень, угрожая урожаям в Азии и Африке. Теперь международная группа учёных обнаружила способ усилить естественный иммунитет растений, заставив их распознавать сразу несколько молекул, которые грибок использует для заражения. В перспективе это может привести к созданию сельскохозяйственных культур с гораздо более устойчивой защитой от болезней.

Исследование провели специалисты британского Центра Джона Иннеса совместно с коллегами из Университета Кобе в Японии. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Главной целью учёных стал гриб Magnaporthe oryzae — возбудитель пирикуляриоза, одного из самых разрушительных заболеваний риса. Болезнь поражает также пшеницу и ячмень, а распространение грибка в новых сельскохозяйственных регионах делает его всё более серьёзной угрозой продовольственной безопасности.

Гриб использует сложный механизм заражения. Он проникает в ткани растений и доставляет внутрь клеток специальные молекулы — эффекторы. Они нарушают нормальную работу растительных клеток, позволяя возбудителю закрепиться и вызвать заболевание.

Однако растения не остаются беззащитными. В ходе эволюции у них сформировалась иммунная система, способная распознавать чужеродные молекулы и запускать защитные реакции. Один из таких механизмов заключается в контролируемой гибели заражённых клеток на ограниченном участке ткани. Это помогает остановить дальнейшее распространение патогена.

Более 30 лет исследования растительного иммунитета в значительной степени были сосредоточены на особой группе защитных белков — рецепторах с нуклеотидсвязывающими и богатыми лейцином участками. Эти белки помогают растениям обнаруживать возбудителей заболеваний и запускать иммунный ответ.

Но сравнительно недавно учёные обратили внимание на другую группу иммунных белков злаковых культур — тандемные киназные белки. Механизмы их работы пока изучены значительно хуже, однако они могут открыть дополнительные возможности для защиты растений.

Предыдущие исследования показали, что некоторые из этих белков содержат особый участок, называемый доменом, ассоциированным с тяжёлыми металлами. Подобные структуры встречаются и в других иммунных рецепторах растений, где они участвуют в распознавании молекул патогенов.

Именно это сходство заинтересовало исследовательскую группу под руководством профессора Марка Банфилда.

Учёные предположили, что, изменяя определённые аминокислоты в местах связывания грибковых эффекторов, можно научить иммунные рецепторы распознавать новые угрозы. Фактически речь шла о перепрограммировании естественной системы обнаружения инфекции.

Чтобы проверить эту идею, исследователи подробно изучили взаимодействие защитных белков растений с молекулами, выделяемыми грибком.

С помощью биофизических методов и кристаллографии они получили детальную трёхмерную картину того, как растительные рецепторы связываются с грибковыми эффекторами.

Оказалось, что специализированные участки рецепторов могут работать как своеобразная биологическая приманка. Они связывают молекулы, которые гриб использует для заражения, позволяя растению обнаружить присутствие патогена и активировать защитные механизмы.

Получив представление о структуре этого взаимодействия, учёные изменили тандемные киназные рецепторы так, чтобы они могли распознавать сразу два разных грибковых эффектора, связанных с заражением пшеницы и ячменя.

Это особенно важный результат, поскольку способность одного иммунного рецептора обнаруживать несколько разных мишеней сравнительно редко встречается в природе.

Исследование показало, что такую двойную специфичность можно создать искусственно, целенаправленно изменяя структуру белка. В дальнейшем этот подход потенциально позволит разрабатывать рецепторы, способные распознавать ещё больше молекул возбудителей заболеваний.

Однако до появления устойчивых к грибку сортов ещё далеко. Пока технология находится на ранней экспериментальной стадии.

Первые испытания исследователи проводили на протопластах — отдельных клетках пшеницы, которые использовались как упрощённая модель для изучения иммунных реакций растения.

Следующим этапом станет проверка модифицированных рецепторов на целых растениях в контролируемых тепличных условиях. Учёным предстоит выяснить, обеспечивают ли изменения реальную защиту от грибковой инфекции за пределами клеточных экспериментов.

«Наше исследование показывает, что этот новый класс защитных белков подходит для инженерной модификации. Теперь мы знаем, что инструменты, которые раньше применялись для изменения других иммунных рецепторов, могут работать и с этими белками», — объяснил первый автор исследования Дэниел Ю.

Подробное понимание того, как грибковые молекулы соединяются с растительными рецепторами, открывает и другие возможности. В частности, учёные рассматривают использование методов точной селекции и искусственного интеллекта для разработки новых вариантов защитных белков.

Такие технологии потенциально позволят создавать рецепторы, распознающие молекулы патогенов, которые раньше оставались незамеченными иммунной системой растений.

Но исследователи предлагают пойти ещё дальше — объединить разные типы иммунных рецепторов в одном растении.

Дело в том, что давно изученные рецепторы и недавно обнаруженные тандемные киназные белки, вероятно, запускают защитные реакции разными способами.

Если использовать оба механизма одновременно, растение получит несколько независимых уровней защиты. Это может значительно усложнить грибку возможность приспособиться к иммунной системе и научиться обходить её.

«Мы считаем, что эти два класса иммунных рецепторов, вероятно, активируются по-разному. Это открывает возможность создать более надёжную защиту растений в полевых условиях, поскольку мы не будем полагаться только на один механизм», — рассказал Марк Банфилд.

По его словам, в дальнейшем исследователи смогут объединять гены, кодирующие разные защитные рецепторы, направленные против одного заболевания. Такое сочетание потенциально позволит создавать сверхустойчивые сельскохозяйственные культуры, которым патогену будет гораздо сложнее противостоять в процессе эволюции.

Необходимость разработки подобных методов становится всё более актуальной из-за распространения пирикуляриоза.

Заболевание пшеницы, вызываемое этим грибком, впервые обнаружили в Бразилии в 1980-х годах. С тех пор оно распространилось в отдельные районы Азии и Африки.

В Великобритании болезнь пока не выявляли, однако изменение климата в будущем может создать условия для её появления на зерновых полях Северной Европы.

Особую опасность представляет способность грибка поражать сразу несколько важнейших продовольственных культур. Для регионов, где рис, пшеница и ячмень обеспечивают питание значительной части населения, распространение заболевания может иметь серьёзные последствия.

Новое исследование предлагает иной подход к решению проблемы. Вместо того чтобы полагаться на один защитный механизм, учёные стремятся расширить возможности самой иммунной системы растений, научив её распознавать больше угроз и реагировать на них разными способами.

Пока эффективность технологии подтверждена только на экспериментальном уровне. Впереди испытания на целых растениях и проверка их устойчивости в реальных сельскохозяйственных условиях.

Если дальнейшие эксперименты окажутся успешными, сочетание нескольких типов иммунных рецепторов может стать основой для создания новых сортов зерновых, способных значительно лучше противостоять одному из наиболее разрушительных грибковых заболеваний сельскохозяйственных культур.