Magnaporthe oryzae, грибок, вызывающий грибковую болезнь риса, вызывает поражения на рисовых растениях, которые снижают урожайность и качество зерна. Грибок приводит к потере до трети мирового урожая риса, чего примерно достаточно, чтобы прокормить более 60 миллионов человек каждый год.
Применялись различные стратегии защиты от грибка, но устойчивый подход еще не разработан.
Стоимость и экологические проблемы ограничили успех токсичных фунгицидов. И феномен, называемый сцеплением, когда нежелательные гены передаются вместе с желательными, затрудняет селекционерам создание сортов риса, которые демонстрируют повышенную сопротивляемость болезням, но при этом производят зерно с желаемой скоростью.
Технологии редактирования генов в конечном итоге могут быть использованы для точной вставки генов в растения риса, преодолев проблему сопротивления сцеплению, но сначала необходимо идентифицировать или сконструировать гены, которые повышают иммунитет риса.
Команда исследователей из Японии и США.K. сообщают в Journal of Biological Chemistry, что определенный иммунный рецептор риса – из класса рецепторов, которые обычно распознают только отдельные патогенные белки – выполняет двойную функцию, вызывая иммунные реакции в ответ на два отдельных грибковых белка. Гены, кодирующие этот рецептор, могут стать шаблоном для создания новых рецепторов, каждый из которых может обнаруживать несколько грибковых белков и, таким образом, улучшать устойчивость к болезням в посевах риса.
Гриб рисового бластера размещает множество белков, известных как эффекторы, внутри рисовых клеток.
В ответ у растений риса развились гены, кодирующие нуклеотидсвязывающие и богатые лейцином повторяющиеся белки, или NLR, которые являются внутриклеточными иммунными рецепторами, которые притягивают специфические эффекторы грибов. После того, как специфический грибковый эффектор рецептора NLR связывается с приманкой, инициируются сигнальные пути, которые вызывают гибель клеток.
"(Клетки) умирают в очень ограниченной области, поэтому остальная часть растения может выжить. Это почти то же самое, что пожертвовать пальцем, чтобы спасти остальную часть своего тела », – сказал Марк Бэнфилд, профессор и руководитель группы Центра Джона Иннеса в Норидже, Англия, и старший автор исследования.
Узнав из предыдущей работы, что грибковые эффекторы AVR-Pia и AVR-Pik имеют схожие структуры, исследователи попытались выяснить, могут ли какие-либо рисовые NLR, которые, как известно, связываются с одним из этих эффекторов, также связываться с другим, сказал Банфилд.
Ученые ввели в табак различные комбинации NLR риса и грибковых эффекторов (модельная система для изучения иммунитета растений), а также использовали растения риса, чтобы показать, могут ли какие-либо необычные пары объединяться и вызывать иммунные ответы. AVR-Pik-связывающий NLR риса, называемый Pikp, вызывал гибель клеток в ответ на AVR-Pik, как и ожидалось, но неожиданно эксперименты показали, что растения, экспрессирующие этот NLR, также частично реагировали на AVR-Pia.
Авторы внимательно изучили неожиданное спаривание с помощью рентгеновской кристаллографии и заметили, что рисовый NLR обладает двумя отдельными стыковочными участками для AVR-Pia и AVR-Pik.
В своей нынешней форме Pikp вызывает слабые иммунные реакции после связывания AVR-Pia, однако ДНК рецептора может быть изменена, чтобы улучшить его сродство к несовпадающим эффекторам, сказал Банфилд.
«Если мы сможем найти способ использовать эту возможность, мы сможем создать супер-NLR, способный связывать несколько эффекторов патогенов», – сказал Банфилд.
По словам Бэнфилда, в качестве конечного результата можно использовать технологии редактирования генов для вставки улучшенных версий NLR, таких как Pikp, в растения, что может склонить чашу весов в пользу рисовых культур перед лицом эпидемии рисовой болезни.
Эта работа была поддержана Исследовательским советом биотехнологии и биологических наук, номера грантов BB / P012574, BB / M02198X; ERC (предложение 743165), Фонд Джона Иннеса, Благотворительный фонд Гэтсби и JSPS KAKENHI 15H05779 и 18K05657.
Среди других авторов этого исследования – Фрейя А. Варден, Хиромаса Сайто, Кае Йошино, Марина Франческетти, Софиен Камун и Риохей Тераучи.