Растения, подобно животным, обладают сложной иммунной системой, позволяющей им противостоять атакам болезнетворных микроорганизмов, таких как бактерии и грибы, которые ежегодно наносят огромный ущерб сельскохозяйственным культурам. Понимание механизмов растительного иммунитета имеет решающее значение для разработки новых стратегий защиты растений и снижения потерь урожая.
Группа исследователей под руководством профессора-биолога Йорга Кудлы из Мюнстерского университета, Германия, добилась значительного прорыва в изучении защитных механизмов растений. Ученые идентифицировали ключевые компоненты системы, отвечающей за иммунный ответ растений на патогены. Результаты их работы были опубликованы в престижном научном журнале Science Advances.
При заражении патогеном растение запускает двухфазный иммунный ответ: локальный и системный. Локальный ответ активируется непосредственно в месте проникновения инфекции, в то время как системный иммунный ответ распространяется по всему растению, подготавливая его неинфицированные части к потенциальным атакам. Именно системный ответ играет ключевую роль в обеспечении общей устойчивости растения.
Важную роль в распространении иммунных сигналов играют ионы кальция и активные формы кислорода (АФК). Повреждение тканей растения патогенами вызывает резкое увеличение концентрации ионов кальция, которые служат сигнальными молекулами. Эти кальциевые сигналы передаются от клетки к клетке, распространяя информацию об опасности по всему растению. Фермент НАДФН-оксидаза, расположенный в клеточной мембране, высвобождает АФК, которые также участвуют в передаче сигналов. Взаимодействие кальциевых сигналов и АФК необходимо для системного распространения иммунного ответа.
В ходе своих исследований группа профессора Кудлы обнаружила так называемый «би-киназный модуль», состоящий из двух кальций-зависимых киназ. Этот модуль оказался ключевым элементом, необходимым для эффективного распространения системного иммунного сигнала. Функция би-киназного модуля заключается в сенсибилизации НАДФН-оксидазы к кальцию.
Механизм действия модуля заключается в следующем: сенсибилизация НАДФН-оксидазы к кальцию приводит к синергетической активации фермента и увеличению производства АФК. Интересно отметить, что одна из киназ, входящих в состав би-киназного модуля, была известна ранее, в то время как вторая была идентифицирована в ходе данного исследования. «Такой кальций-активируемый би-киназный модуль ранее никогда не описывался,» – подчеркивает профессор Кудла, указывая на новизну открытия.
На основе полученных данных ученые предложили модель системной иммунной сигнализации. Согласно этой модели, на начальном этапе заражения патогеном активируется третья киназа, расположенная внутри инфицированной клетки. Эта киназа запускает выработку внеклеточных АФК. Внеклеточные АФК диффундируют к соседним клеткам, где они инициируют новые кальциевые сигналы и активируют би-киназный модуль.
Активация би-киназного модуля в соседних клетках приводит к высвобождению АФК и возобновлению притока ионов кальция. Этот процесс повторяется, позволяя сигналу распространяться от клетки к клетке, даже без прямого контакта с патогеном. Таким образом, растение способно передавать сигнал тревоги на значительные расстояния, подготавливая все свои части к возможной инфекции.
Примечательно, что кальциевый сигнал, участвующий в системном иммунном ответе, оказался на удивление слабым. Однако, благодаря сенсибилизации НАДФН-оксидазы би-киназным модулем, даже слабого сигнала достаточно для эффективного распространения. Вероятно, такая «экономичность» сигнала необходима для того, чтобы избежать нарушения других кальций-зависимых процессов в клетке. Молекулярные механизмы сенсибилизации НАДФН-оксидазы к кальцию были подробно изучены в ходе работы, однако вопрос о том, как клетки регулируют силу кальциевого сигнала, пока остается открытым.
В своих исследованиях команда профессора Кудлы использовала широкий спектр методов, включая молекулярно-генетические, клеточно-биологические и биохимические подходы. Ключевую роль сыграло изучение распространения кальциевых сигналов у трансгенных растений Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) с применением микроскопии высокого разрешения и кальциевых биосенсоров. Для дальнейших исследований растительного сигнального пути ученые также использовали культуры клеток человека, в которых была искусственно воссоздана растительная сигнальная система.
В работе также принимали участие исследовательские группы профессора Ирис Финкемайер из Мюнстерского университета и профессора Тины Ромейс из Лейбницкого института биохимии растений в Галле, ранее работавшей в Свободном университете Берлина.
Изображение носит иллюстративный характер
Группа исследователей под руководством профессора-биолога Йорга Кудлы из Мюнстерского университета, Германия, добилась значительного прорыва в изучении защитных механизмов растений. Ученые идентифицировали ключевые компоненты системы, отвечающей за иммунный ответ растений на патогены. Результаты их работы были опубликованы в престижном научном журнале Science Advances.
При заражении патогеном растение запускает двухфазный иммунный ответ: локальный и системный. Локальный ответ активируется непосредственно в месте проникновения инфекции, в то время как системный иммунный ответ распространяется по всему растению, подготавливая его неинфицированные части к потенциальным атакам. Именно системный ответ играет ключевую роль в обеспечении общей устойчивости растения.
Важную роль в распространении иммунных сигналов играют ионы кальция и активные формы кислорода (АФК). Повреждение тканей растения патогенами вызывает резкое увеличение концентрации ионов кальция, которые служат сигнальными молекулами. Эти кальциевые сигналы передаются от клетки к клетке, распространяя информацию об опасности по всему растению. Фермент НАДФН-оксидаза, расположенный в клеточной мембране, высвобождает АФК, которые также участвуют в передаче сигналов. Взаимодействие кальциевых сигналов и АФК необходимо для системного распространения иммунного ответа.
В ходе своих исследований группа профессора Кудлы обнаружила так называемый «би-киназный модуль», состоящий из двух кальций-зависимых киназ. Этот модуль оказался ключевым элементом, необходимым для эффективного распространения системного иммунного сигнала. Функция би-киназного модуля заключается в сенсибилизации НАДФН-оксидазы к кальцию.
Механизм действия модуля заключается в следующем: сенсибилизация НАДФН-оксидазы к кальцию приводит к синергетической активации фермента и увеличению производства АФК. Интересно отметить, что одна из киназ, входящих в состав би-киназного модуля, была известна ранее, в то время как вторая была идентифицирована в ходе данного исследования. «Такой кальций-активируемый би-киназный модуль ранее никогда не описывался,» – подчеркивает профессор Кудла, указывая на новизну открытия.
На основе полученных данных ученые предложили модель системной иммунной сигнализации. Согласно этой модели, на начальном этапе заражения патогеном активируется третья киназа, расположенная внутри инфицированной клетки. Эта киназа запускает выработку внеклеточных АФК. Внеклеточные АФК диффундируют к соседним клеткам, где они инициируют новые кальциевые сигналы и активируют би-киназный модуль.
Активация би-киназного модуля в соседних клетках приводит к высвобождению АФК и возобновлению притока ионов кальция. Этот процесс повторяется, позволяя сигналу распространяться от клетки к клетке, даже без прямого контакта с патогеном. Таким образом, растение способно передавать сигнал тревоги на значительные расстояния, подготавливая все свои части к возможной инфекции.
Примечательно, что кальциевый сигнал, участвующий в системном иммунном ответе, оказался на удивление слабым. Однако, благодаря сенсибилизации НАДФН-оксидазы би-киназным модулем, даже слабого сигнала достаточно для эффективного распространения. Вероятно, такая «экономичность» сигнала необходима для того, чтобы избежать нарушения других кальций-зависимых процессов в клетке. Молекулярные механизмы сенсибилизации НАДФН-оксидазы к кальцию были подробно изучены в ходе работы, однако вопрос о том, как клетки регулируют силу кальциевого сигнала, пока остается открытым.
В своих исследованиях команда профессора Кудлы использовала широкий спектр методов, включая молекулярно-генетические, клеточно-биологические и биохимические подходы. Ключевую роль сыграло изучение распространения кальциевых сигналов у трансгенных растений Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) с применением микроскопии высокого разрешения и кальциевых биосенсоров. Для дальнейших исследований растительного сигнального пути ученые также использовали культуры клеток человека, в которых была искусственно воссоздана растительная сигнальная система.
В работе также принимали участие исследовательские группы профессора Ирис Финкемайер из Мюнстерского университета и профессора Тины Ромейс из Лейбницкого института биохимии растений в Галле, ранее работавшей в Свободном университете Берлина.
