Биоинженерия иммунных рецепторов растений стала перспективной стратегией для создания новых признаков устойчивости к болезням, чтобы противостоять растущей угрозе фитопатогенов для глобальной продовольственной безопасности. Однако современные подходы ограничены быстрой эволюцией фитопатогенов в полевых условиях и могут оказаться недостаточно долговечными при развертывании. В новом исследовании ученые показали, как нуклеотидсвязывающий лейцин-богатый повтор (NLR) иммунный рецептор риса Pik-1 может быть сконструирован для реагирования на консервативное семейство эффекторов из патогена гриба-мишени Magnaporthe oryzae с несколькими хозяевами.
Пирикуляриоз риса остается одним из самых трудно поддающихся лечению заболеваний, угрожающих глобальной продовольственной безопасности. Это заболевание вызывается нитчатым грибом Magnaporthe oryzae и является прямой причиной потери более 30% урожая риса ежегодно. Этот патоген также может вызывать пирикуляриоз других зерновых культур, включая пшеницу и ячмень.
Теперь, модифицируя внутриклеточный иммунный рецептор растений (NLR), исследователи разработали потенциально новую стратегию устойчивости к пирикуляриозу риса, одному из самых важных заболеваний, угрожающих глобальной продовольственной безопасности. Совместная группа из Великобритании и Японии опубликовала свое исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences. Это имеет последствия для будущих подходов к защите урожая и, в конечном итоге, для стабильности поставок продовольствия в мире.
Исследование проводилось под руководством кафедры биохимии и метаболизма в Центре Джона Иннеса с партнерами из Лаборатории Сейнсбери, Университета Восточной Англии, и Отдела геномики и селекции, Исследовательского центра биотехнологий Иватэ, Япония. В критической части исследования исследователи работали с национальным синхротроном Великобритании Diamond Light Source.
Текущие подходы к развертыванию устойчивой устойчивости к болезням в полевых условиях ограничены скоростью, с которой они могут быть идентифицированы в природе, и эволюцией фитопатогенов, таких как грибок пирикуляриоза, которые умудряются обходить эти новые устойчивости. Биоинженерия иммунных рецепторов растений, таких как NLR, появилась как новый путь для создания новых признаков устойчивости к болезням, чтобы противостоять растущей угрозе фитопатогенов для глобальной продовольственной безопасности, которые потенциально могут быть разработаны по требованию.
Рафал Здржалек, ведущий автор, объясняет: «Патогены секретируют белки, называемые «эффекторами», в клетки-хозяева, чтобы манипулировать метаболизмом растений и способствовать инфицированию. Растения могут распознавать эти эффекторы с помощью иммунных рецепторов, называемых NLR. Однако не всегда легко определить рецептор, естественным образом распознающий любой данный эффектор, и даже если такой рецептор существует, эффекторы патогена могут мутировать и эволюционировать, чтобы избежать этого распознавания. Взаимодействие между эффекторами патогенов и рецепторами растений изучается для понимания modus operandi каждого патогена, а также позволяет нам взаимодействовать с естественными рецепторами растений и изменять их специфичность распознавания».
В своей публикации исследователи сосредоточились на разработке иммунного рецептора NLR из риса для надежного связывания более широкого, консервативного семейства эффекторов патогенного гриба-возбудителя пирикуляриоза.
Марк Бэнфилд, автор-корреспондент, добавляет: «Распознавая консервативное семейство эффекторов, этот сконструированный иммунный рецептор устанавливает доказательство принципа для будущей поставки надежной, долгоживущей устойчивости к пирикуляриозу в растениеводстве. Патогену может быть сложнее эволюционировать, чтобы избежать распознавания. Концепция инженерии иммунных рецепторов хозяин-мишень может также применяться к другим болезням растений, которые зависят от доставки эффекторов в клетки-хозяева для их болезнетворных свойств».
Заменив домен, связанный с тяжелыми металлами (HMA), в рисовом NLR Pikm-1 на домен из рисового белка OsHIPP43 (естественная цель эффектора Pwl2), исследователи успешно изменили профиль реакции рецептора, чтобы он распознавал и реагировал на Pwl2 и более широкое семейство эффекторов Pwl.
Исследователи собрали данные рентгеновской дифракции на линии I04 национального синхротрона Великобритании Diamond Light Source, чтобы изучить детали взаимодействия между этими двумя белками. Кристаллическая структура комплекса выявляет обширный интерфейс между Pwl2 и OsHIPP43.
Интересно, что исследователи провели анализы, чтобы показать, что новый химерный белок может распознавать различные эффекторы Pwl in planta.
Чтобы исследовать пределы химерного белка, они сгенерировали ряд целевых мутаций в Pwl2 на основе кристаллической структуры и провели новый анализ для проверки измененных специфичностей распознавания. Во многих случаях белок мог распознавать эффектор, показывая надежность системы.
Кристаллическая структура комплекса выявляет обширный интерфейс между Pwl2 и OsHIPP43. Прозрачное поверхностное изображение Pwl2 (розовый) и OsHIPP43 (синий). Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2402872121.
Анализ гибели клеток, показывающий, что химера Pikm-1OsHIPP43/Pikp-2 распознает варианты эффектора Pwl при экспрессии в N. benthamiana. Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2402872121.
Результаты исследования демонстрируют потенциал инженерии NLR на основе целевого хозяина в разработке новых признаков устойчивости, которые могли бы быть менее подвержены преодолению эволюцией патогенов. Это исследование может иметь далеко идущие последствия для будущего защиты урожая и стабильности поставок продовольствия в мире.
Источник: Diamond Light Source.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
