Новые данные о хитиназах - ферментах, естественным образом встречающихся в растениях, - могут позволить фермерам быстрее и эффективнее бороться с грибными инфекциями, сокращая применение фунгицидов, а разрабатываемый хитиназный датчик даст возможность ранней диагностики болезней.
Хитиназы — это гидролитические ферменты, которые расщепляют хитин, гомополимер с прямой цепью из β-1,4-связанных единиц N-ацетил-D-глюкозамина (GlcNAc), обнаруженный в экзоскелетах членистоногих и клеточных стенках некоторых грибов.
Расщепляя хитин, хитиназы подавляют рост грибов и высвобождают необходимые питательные вещества, которые растения могут использовать для роста и развития. Хитиназы экспрессируются различными организмами, включая грибы, бактерии, археи, вирусы, животных и растения. Они классифицируются на семейства GH18, GH19 и GH20 на основе базы данных CAZy. Хитиназы GH18 широко распространены у эукариот и прокариот, тогда как хитиназы GH19 в основном встречаются у растений.
Ученые из Национальной лаборатории Эймса Министерства энергетики США исследовали хитиназы из кукурузы и риса, чтобы лучше понять их роль в определении того, находится ли растение под стрессом, и в борьбе с атаками грибных патогенов. Их выводы показывают, что эти ферменты могут быть ценным ресурсом в защите растений, сообщается в релизе Ames National Laboratory.
Кукуруза и рис – важные сельхозкультуры. Помимо обеспечения продовольствием, обе имеют важные энергетические применения, включая биомассу, оставшуюся от сбора урожая. Кукуруза считается основной биотопливной культурой, в то время как рисовая шелуха используется для отопления и также для биотоплива.
При этом, серьезные угрозы урожаю исходят от патогенов, таких как грибы, бактерии и вирусы. Одни только грибы вызывают потерю урожая кукурузы и риса на 35%–40% каждый год.
«В растительном мире существует большой интерес к хитиназам из-за их повсеместного распространения и их участия в защите растений от грибных атак», - пояснила Марит Нильсен-Гамильтон, ученый из лаборатории Эймса и руководитель исследовательской группы, работающей над хитиназами в защите растений.
Большая часть работы команды сосредоточена в первую очередь на ризосфере, узкой зоне почвы вокруг корней растений, где происходит интенсивная микробная деятельность. Корни в почве выделяют множество веществ, включая сахара и хитиназы, а также полимеры, которые удерживают все вместе. Бактерии в почве также способствуют этим выделениям, и выделяемые ими полимеры образуют очень тонкую пленку на корнях растений.
«В ризосфере растения выделяют сахар, чтобы привлечь бактерии, потому что они хотят, чтобы эти ризобактерии были рядом и помогали им. Растения питают бактерии, а бактерии питают и защищают растения. Тем не менее, существуют эти грибные инфекции, и когда растения находятся в состоянии стресса, они выделяют определенные хитиназы», - говорит Нильсен-Гамильтон.
Ее команда выбрала определенные хитиназы, рекомендованные их коллегой-биохимиком растений Ольгой Заботиной из Университета штата Айова, которые выделяются растениями в ответ на грибную атаку. Их первым шагом было получение полного понимания функциональных и молекулярных характеристик ферментов.
«Очень мало, что было сделано с хитиназами в целом в плане очистки и характеристики. Поэтому мой аспирант Сэмюэл Шобейд взялся за их характеристику», - пояснил Нильсен-Гамильтон.
Команда хотела узнать, являются ли эти хитиназы хорошим индикатором стресса растений, связанного с грибами, и могут ли они убивать грибы. Они обнаружили, что одна из хитиназ была эффективна в уничтожении грибов Aspergillus niger, которые могут вызывать черную плесень у различных сельскохозяйственных культур.
Помимо характеристики хитиназ, команда также хотела узнать, будут ли какие-либо из них хорошими рецепторами для аптамеров. «Аптамеры — это нуклеиновые кислоты , которые ведут себя как антитела, но для их создания не нужно животное. Фактически, вы создаете их в пробирке», - поясняет Нильсен-Гамильтон.
Аптамеры могут использоваться для обнаружения хитиназ и потенциально могут быть использованы для активации определенных хитиназ, которые секретируются в ответ на грибные инфекции. Хитиназа из риса оказалась плохой мишенью для аптамеров, поскольку и фермент, и белок аптамера имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкивают друг друга. Однако хитиназа кукурузы оказалась хорошим рецептором аптамера.
В итоге, исследователи решили выбрать стратегию по использованию аптамеров нуклеиновых кислот для раннего обнаружения грибных заболеваний, пока еще не слишком поздно для выживания растения.
«Наш инженер-соавтор Пранав Шротрия разработал способ использования аптамеров нуклеиновых кислот для обнаружения молекул с помощью так называемого электрохимического устройства. И зонд можно сделать настолько маленьким, что его можно будет поместить в почву. Так что это дает нам возможность обнаруживать в почве то, что производят корни растений, бактерии и т. д.», - сказала Нильсен-Гамильтон.
Характеристика этих хитиназ стала важным вкладом в работе по обнаружению этих белков, выделяемых растениями. Обнаружение их на ранней стадии может позволить фермерам вмешаться оперативно, когда инфекцию легче устранить. Понимание хитиназ также может привести к более целенаправленным методам лечения, чем применение общего фунгицида или вмешательство, когда растения уже серьезно пострадали.
Результаты могут иметь экономическое влияние не только на традиционные сельскохозяйственные культуры и их отходы биомассы для производства энергии, но и на специальные энергетические культуры — те, которые выращиваются специально для создания биомассы для топлива.
Работа опубликована в журнале Frontiers in Plant Science.
Источник: Ames National Laboratory. На графике - визуальные представления поверхности хитиназы и вторичных структур. Графика: U.S. Department of Energy, Ames National Laboratory.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.