Растения-паразиты — печально известные сельскохозяйственные вредители, которые высасывают питательные вещества из сельскохозяйственных культур и ежегодно наносят экономический ущерб из-за снижения урожайности. Однако эти растения почти никогда не нападают на самих себя или на близкородственные растения. Ученые давно подозревали, что растения-паразиты могут распознавать «родственников», но молекулярные основы такой самозащиты оставались неясными.
Группа исследователей из Института науки и технологий Нара (NAIST) в Японии раскрыла механизм, который позволяет растениям-паразитам отличать «своих» от «чужих». Выводы, опубликованные в журнале Science, указывают на новые стратегии защиты сельскохозяйственных культур от растений-паразитов.
Руководила исследованием профессор Сатоко Ёсида. «Растения-паразиты, такие как заразиха и повилика, наносят серьёзный ущерб урожаю. Понимание их системы самоидентификации открывает путь к созданию культур, которые выглядят как их сородичи и не подвергаются нападению», — говорит Ёсида.
Растения-паразиты проникают в организм хозяина с помощью органа, называемого гаусторием, который соединяет их с сосудистой системой хозяина. Формирование этого органа запускается химическими сигналами, известными как факторы, индуцирующие образование гаусториев (HIF), которые образуются из лигнина — основного компонента клеточных стенок растений. Поскольку все растения, включая паразитов, вырабатывают эти сигналы на основе лигнина, возникает ключевой вопрос: как растения-паразиты предотвращают образование гаусториев на собственных корнях под воздействием HIF?
Чтобы изучить этот вопрос, исследователи изучили растение-паразит Phtheirospermum japonicum. Они искали мутантов, которые не могли избежать самопаразитизма, и выявили мутанта под названием спонтанный преасториум (spoh1), который формировал гаустории на собственных корнях без какого-либо внешнего сигнала, как будто он больше не мог себя узнавать.
Генетический анализ показал, что этот дефект возникает из-за мутации в гене PjUGT72B1, который кодирует фермент глюкозилтрансферазу. Когда исследователи вернули нормальную копию гена, у растений с мутацией перестали спонтанно формироваться гаустории. После удаления PjUGT72B1 у здоровых растений начали формироваться гаустории на собственных корнях, что свидетельствует о важности этого гена для подавления неправильного развития гаусториев.
Команда исследователей обнаружила, что PjUGT72B1 действует как молекулярный переключатель. Он присоединяет молекулу глюкозы к собственным HIF-белкам растения в его корнях в процессе, называемом глюкозилированием. Эта модификация нейтрализует сигналы и предотвращает их активацию, которая приводит к образованию гаусториев. У мутанта spoh, у которого отсутствует фермент глюкозилтрансфераза, активные HIF-белки накапливаются и выходят из организма, в результате чего растение образует инвазивные структуры.
Раскрыв механизм, с помощью которого растения-паразиты подавляют собственные сигналы, индуцирующие образование гаусториев, ученые смогут разработать технологии для защиты сельскохозяйственных культур. Стратегии, направленные на изменение выработки HIF или глюкозилирования, помогут в выведении культур, которые естественным образом отпугивают растения-паразиты.
«Различная субстратная специфичность UGT72B1 у паразита и хозяина позволяет отличать родственные виды от потенциальных хозяев, что наводит на мысль о создании культур, которые будут практически невидимы для паразитических сорняков», — заключил Йошида.
[Фото: Satoko Yoshida from Nara Institute of Science and Technology, Japan]
