Zwiększenie odporności roślin na szkodniki
Ponad 75 lat temu Harold Henry Flor ujawnił, że o dziedziczeniu odporności u roślin oraz pasożytnictwie decydują odpowiadające sobie pojedyncze geny u roślin i u patogenów. Od tego czasu liczne badania wykazały, że zasady działania roślinnej odporności zależnej od genów są znacznie bardziej złożone niż prosty układ binarny sugerowany przez Flora. Obecnie uważa się, że odporność roślin na choroby jest zakodowana poprzez dynamiczne zestawy receptorów odpornościowych w sieciach genetycznych i biochemicznych. Identyfikacja patogenów-efektorów Stypendystka programu Marii Skłodowskiej-Curie, dr Lida Derevnina, pracowała w laboratorium prof. Sophiena Kamouna w Laboratorium w Sainsbury w Norwich (Zjednoczone Królestwo). W ramach sfinansowanego ze środków UE projektu BoostR poszerzyli oni istniejącą wiedzę na temat sieci wewnątrzkomórkowych receptorów odpornościowych składającej się z białek z domeny wiążącej nukleotydy, która zawiera liczne motywy bogate w leucynę (NLR). Członkowie sieci NLR są powiązani ewolucyjnie. Prawdopodobnie rozpowszechnili się ponad 100 milionów lat temu, zapewniając rodzinie psiankowatych odporność na zróżnicowane patogeny. Do psiankowatych (zwanych również psiankami) należy wiele roślin ważnych z punktu widzenia rolnictwa, takich jak pomidory, ziemniaki oraz tytoń. W ramach sieci trzy pomocne NLR (zwane NRC) inicjują sygnał do obrony. Są one niezbędne dla grupy ważnych dla agronomii czujników NLR wyspecjalizowanych w rozpoznawaniu cząsteczek patogenów. Pomocne NRC odgrywają ważną rolę, działając zarówno w sposób redundantny, jak i nieredundantny, by umożliwić reakcje odpornościowe zależne od czujników. Założeniem roboczym naukowców z projektu BoostR było to, że zmiana NRC powoduje odporność na choroby u psiankowatych, zabezpieczając je przed licznymi niszczącymi patogenami. „Moja propozycja ma na celu generowanie syntetycznych NRC oferujących odporność na choroby o szerokim spektrum”, wyjaśnia dr Derevnina. Wszystkie eksperymenty przeprowadzała ona, wykorzystując modelowy organizm roślinny, Nicotiana benthamiana, gatunek z rodziny psiankowatych. Badaczka przeanalizowała zdolność efektorów z różnych patogenów do blokowania sygnałów NRC. Udało jej się wyselekcjonować dwa takie efektory – AVRcap1b z Phytophthora infestans oraz SPRYSEC z mątwika ziemniaczanego – i opisać ich tryb działania. Wykorzystując te informacje, można było wytworzyć chimeryczne NRC poprzez zamianę domen białek w różnych połączeniach, by wyłonić kandydatów podtrzymujących przekazywanie sygnałów do dalszych etapów z wykorzystaniem czujników NLR zależnych od NRC, unikając przy tym blokowania sygnałów przez efektory patogenów. Po weryfikacji poprzez oceny komplementacji genowej przetestowano te chimery w eksperymentach potwierdzających hipotezę. Zostaną one również przetestowane na ziemniakach i pomidorach, by określić ich wartość w programach upraw. Wpływ inżynierii układu odpornościowego roślin Jak zauważa dr Derevnina, „sam fakt, że patogeny te są ewolucyjnie rozbieżne, a jednak ich działanie jest ukierunkowane na tego samego gospodarza, podkreśla ważną rolę, jaką pomocnicze białka NRC odgrywają w przekazywaniu odporności na różne patogeny atakujące psiankowate”. Badanie efektorów patogenów atakujących białka NRC, zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio, umożliwia nam lepsze zrozumienie mechanizmów cząsteczkowych leżących u podstaw zakażeń patogenami oraz rozpoznawania gospodarza; pomaga też lepiej zrozumieć funkcję NLR. A co najważniejsze, oferuje nam nowe strategie uprawy roślin o zwiększonej odporności. Wyniki projektu mają długofalowe znaczenie dla rolnictwa. Stwarzają możliwość uprawy roślin odpornych na zróżnicowane patogeny mające duży wpływ na rolnictwo, a tym samym zwiększenia plonów i ograniczenia wykorzystania pestycydów. Dr Derevnina przewiduje, że „nowa dziedzina badań nad sieciami roślinnych receptorów odpornościowych odegra niezwykle ważną rolę w programach uprawy roślin odpornych na choroby na całym świecie”.
Słowa kluczowe
BoostR, patogen, odporność, NRC, NLR, układ odpornościowy, pestycyd, chimeryczne NRC
