Сотрудники нескольких российских институтов провели транскриптомный анализ тканей колорадского жука во время развития инфекций, вызываемых патогенными для этого насекомого грибами Beauveria и Metarhizium. В результате было выявлено более 3500 генов, уровень активности которых изменяется в ответ на инфекции. Полученные данные существенно помогут дальнейшему изучению иммунитета колорадского жука и разработке новых подходов биологического контроля вредителя. Статья об исследовании опубликована в журнале Insect Molecular Biology.
Beauveria bassiana и Metarhizium robertsii — это паразитические грибы, поражающие исключительно членистоногих, естественные патогены колорадского жука. Они заражают жертву через покровы и, постепенно заполняя полость тела, вызывают ее гибель, а после используют погибшего хозяина как питательный субстрат для выращивания нового поколения спор. Сделать колорадского жука более восприимчивым к воздействию таких патогенов — один из перспективных способов контроля численности этого вредителя, эффективный и более безопасный для окружающей среды, чем применение пестицидов. Такие подходы разрабатывают сотрудники Института систематики и экологии животных СО РАН.
«Препараты, основанные на подавлении экспрессии определенных генов колорадского жука, уже существуют (например, они зарегистрированы в США): жук поедает опрысканные ими растения, в результате чего у него выключаются жизненно важные функции и он погибает. Однако такие препараты действуют довольно медленно и к ним, как и к химическим инсектицидам, формируется устойчивость. У нас подход немного другой: мы планируем подавлять не жизненно важные гены, а ключевые узлы иммунитета, связанные с устойчивостью к патогенам. Тогда вероятность того, что жук станет устойчив к этим средствам, очень низка», — рассказывает заведующий лабораторией экологической паразитологии ИСиЭЖ СО РАН доктор биологических наук Вадим Юрьевич Крюков.
В совместной работе с коллегами из Института искусственного интеллекта Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва), ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Института химической кинетики и горения СО РАН ученые ИСиЭЖ выполнили транскриптомный анализ колорадского жука прямо во время развития инфекций. Исследование было сосредоточено на ключевой стадии иммунного ответа — инкапсуляции патогена клетками гемолимфы насекомого (гемоцитами) — и проведено в двух тканях жука: гемоцитах и жировом теле.
«Во время развития инфекции мы можем увидеть сразу же широкий спектр генов, которые меняют экспрессию вследствие заболевания, связать эту экспрессию с определенными иммуносигнальными путями, понять пути активации компонентов защитных систем. Это позволяет выявить ключевые узлы иммунитета, которые в дальнейшем можно блокировать, чтобы, во-первых, изучить функционал конкретных генов и приблизиться к пониманию работы генных сетей колорадского жука. Во-вторых, это дает возможность управлять иммунитетом вредителя, чтобы повышать его восприимчивость к патогенам», — объясняет Вадим Крюков.
В ходе исследования была существенно расширена аннотация генов колорадского жука (информация о функциях генов, принадлежности к известным семействам белков, наличии известных структурных и функциональных доменов), для этого использовались в том числе методы искусственного интеллекта. Удалось выявить более 3500 генов, уровень активности которых изменяется в ответ на инфекции. Анализ показал, что иммунные реакции жука зависят как от типа ткани, так и от вида патогена: для разных инфекций и тканей характерны свои наборы активируемых генов. В результате ученые создали подробную карту экспрессии генов, отражающую работу иммунной системы колорадского жука во время развития грибковых болезней.
Биологи ИСиЭЖ СО РАН ставили сами патогенезы, делали забор тканей насекомого, проводили измерение ряда физиологических показателей, а также оценивали экспрессию наиболее важных генов с помощью количественной ПЦР. ФИЦ ИЦиГ СО РАН готовил библиотеки для транскриптомного анализа. Затем эти библиотеки отправляли в Китай, где в Пекинском институте геномики осуществлялось само секвенирование. Биоинформатики из Института искусственного интеллекта МГУ выполнили аннотацию генов, провели компьютерный анализ транскриптомных данных, а также использовали нейросетевые модели, связанные с предсказанием функций ранее не аннотированных генов. Сотрудники ИХКГ СО РАН отвечали за задачи, связанные с измерением активированных кислородных метаболитов в тканях насекомого с помощью электронного парамагнитного резонанса, что было необходимо для интерпретации ряда данных транскриптомов.
Исследование выполнено при поддержке РНФ № 22-14-00309.
Автор: Диана Хомякова
Информация предоставлена Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
Источник фото: andrei310 - ru.123rf.com
