Корни растений обладают хитрым способом различения полезных и вредных грибов

Фото из открытых источников

Полезные и вредные грибы выделяют совершенно одинаковый химический сигнал, но корни растений всё равно знают, какой из них опасен. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Грибок, разрастающийся на растениях, звучит как плохая новость, но не все грибы вредны. Растения также зависят от полезных грибов, которые поглощают питательные вещества через их корни. И атакующие, и их партнеры состоят из одного и того же материала — цепочки сахаров, называемой хитином. Фрагменты хитина попадают в почву всякий раз, когда грибок растет или разрушается.

Новое исследование показывает, как рецептор на корнях бобовых сортирует эти фрагменты по длине. Рецепторы плотно захватывают длинные цепочки хитина, такие, какие появляются при грибковой атаке, и подают сигнал тревоги. Короткие цепочки, которые отслаиваются от грибов-партнеров, практически не реагируют.

Работу возглавили Кира Гисель и Каспер Рёйкьер Андерсен из Департамента молекулярной биологии и генетики Орхусского университета в Дании. Симон Бойе Хансен и Генриетта Рюбсам являются первыми авторами, а соавторами выступают сотрудники Копенгагенского университета и французского исследовательского центра CERMAV. Эксперименты проводились на двух небольших бобовых культурах, используемых в качестве лабораторных моделей, а не на сельскохозяйственных культурах.

Гисель отмечает, что загадка заключается в том, что хитин выглядит одинаково по всей своей длине. «Это один и тот же сахар, повторяющийся снова и снова, как нить одинаковых бусин, и ничто не отличает одну часть цепочки от другой», — сказала она.

Хитин — основной строительный блок клеточной стенки грибов. Когда гриб растет или разрушается, фрагменты клеточной цепи различной длины попадают в почву. Корни считывают эти фрагменты грибов, чтобы отслеживать микробы вокруг себя.

Длинные фрагменты обычно сопровождаются атакой, и у бобовых они вызывают гораздо более сильную защиту, чем короткие. Короткие фрагменты содержат полезные грибы, которые внедряются в корни и обмениваются питательными веществами с растением. Как корень мог отличить их друг от друга — это оставался открытым вопрос.

Команда исследователей создала внешнюю часть корневого рецептора под названием CHIP13 и проверила, насколько прочно он удерживает хитиновые цепи различной длины. Он удерживал цепь из восьми сахаров более чем в 1000 раз прочнее, чем цепь из пяти сахаров.

Затем они заморозили рецептор в кристаллах с прикрепленной к нему длинной цепочкой и провели его картирование, атом за атомом.

Рецептор удерживает цепь в трех точках. Две из них — это стандартные карманы для связывания хитина, встречающиеся в родственных рецепторах. Третья расположена между ними, и команда назвала ее мостиковым доменом, потому что она охватывает середину цепи.

Гисель рассказала, что конструкция с первого взгляда ответила на вопрос.

«CHIP13 удерживает цепь в трех основных точках контакта, и центральная из них, мостиковый домен, координирует связывание длинной хитиновой цепи», — сказала Гисель. «Только цепочки, достаточно длинные, чтобы достичь всех трех, прочно удерживаются и могут активировать иммунный ответ растения. Это, по сути, молекулярная измерительная лента».

Замена двух аминокислот вблизи мостика уменьшила способность рецептора к связыванию в 100 раз. Во втором бобовом растении, люцерне бочкообразной, мутантные растения, которым вводили версию соответствующего рецептора с теми же двумя заменами, не восстановили свою реакцию на хитин.

Корням бобовых также необходим второй рецептор, CERK6, для реагирования на хитин, а CERK6 практически не способен удерживать хитин. Бойе Хансен сказал, что это оставалось загадкой. «Оказывается, два приемника делят между собой работу: один распознает сигнал, другой передает его дальше. Ни один из них не может выполнить эту работу в одиночку», — сказал он.

В клетках листьев, модифицированных для наличия обоих рецепторов, CHIP13 привлекал CERK6 только после связывания с хитином. Ослабленная версия CHIP13 вообще не привлекала его. Разработанная командой модель представляет собой пару рецепторов CHIP13, удерживающих хитин и привлекающих двух партнеров CERK6, которые затем передают сигнал тревоги в клетку.

Чтобы протестировать рецепторы на живом растении, не изменяя его гены, команда получила наноантитела — крошечные антителоподобные белки, полученные путем иммунизации ламы, — которые блокируют хитин-связывающий участок каждого рецептора.

Они замачивали в них целые саженцы модельного бобового растения Lotus japonicus. «Мы просто наносили их на растения снаружи, и мы не были уверены, что это вообще сработает», - рассказывают авторы исследования. «Мы думали, что клеточная стенка растения будет блокировать доступ наноантител к рецепторам на поверхности растительных клеток».

Наноантитела достигли рецепторов. Сеянцы, обработанные блокатором CERK6, реагировали на хитин примерно так же слабо, как и растения, у которых отсутствовал этот ген, а блокатор CHIP13 также резко снижал реакцию. Для срабатывания сигнализации необходимы оба рецептора.

Оба бобовых являются лабораторными моделями, и измерительная лента не была проверена на сельскохозяйственных культурах. Мостовой домен можно предсказать во многих родственных рецепторах у высших растений, но предсказанный домен не был проверен.

Гисель сказала, что эти два рецептора — лишь малая часть более крупной иммунной системы . Растения используют множество родственных рецепторов для мониторинга почвенных микробов. Как эти рецепторы взаимодействуют друг с другом и считывают ли другие рецепторы сигналы по длине — вот что ее группа намерена выяснить в дальнейшем.

Описанные ею проблемы касаются сельского хозяйства. Усиление «хитиновой сигнализации» может повысить устойчивость сельскохозяйственных культур к грибковым заболеваниям, но только если это не приведет к активации системы против грибков, от которых зависят корни.

«Знание того, как считываются длинные цепочки хитина, помогает нам улучшать урожай, не нарушая баланс, чтобы не ослаблять защитные механизмы растений и не создавать условия для полезных грибов, или наоборот», — сказала Гисель.

Следующий вопрос, который необходимо проверить, — какие рецепторы сельскохозяйственных культур содержат мостиковый домен и измеряют ли они хитин одинаковым образом.