Устойчивость растений к патогенам строится на запуске определенных защитных механизмов: усилении генерации активных форм кислорода, экспрессии пероксидаз и ферментов, синтезирующих этилен и другие сигнальные и защитные молекулы. Как правило, триггерами выступают молекулярные паттерны — низкомолекулярные вещества, возникающие при повреждении тканей растения, либо свойственные самому вредителю. Их распознавание рецептор-подобными белками (RLP) и становится первым шагом к запуску защитных реакций.

Среди разнообразия паттернов, распознаваемых растительными рецепторами, можно выделить HAMP — связанные с нападениями травоядных животных (обычно это гусеницы, то есть личинки насекомых отряда Чешуекрылые). К известным HAMP, распознаваемым бобовыми растениями, относятся инцептины — пептидные фрагменты одной из субъединиц хлоропластной АТФ-синтазы растения, которые обнаруживаются в оральных выделениях насекомого после переваривания им растительных тканей. И несмотря на известное свойство инцептинов запускать у бобовых иммунные реакции, до этого не были известны специфические рецепторы, распознающие эти паттерны.

Научные сотрудники университета Калифорнии и их иностранные коллеги под руководством Эрика Шмельца (Eric A. Schmelz) предположили, что у бобовых растений существует рецептор, распознающий инцептин (INR), и поставили цель обнаружить участки генома, ответственные за его экспрессию. Они решили сделать это с помощью генетического картирования на примере коровьего гороха и наиболее часто встречаемых инцептинов Vu-In и его менее биологически активного варианта Vu-In-А.

Проанализировав увеличение синтеза этилена в разных образцах коровьего гороха при взаимодействии с инцептином, исследователи отобрали группу тех, что чувствительны к Vu-In-А — группы Danila, Suvita и Yacine. Затем, для картирования хромосомных локусов, контролирующих количественные признаки (QTL), получили популяцию из 85 рекомбинантных инбредных линий от двуродительского скрещивания особей группы Yacine и нечувствительных к Vu-In-А особей группы 58-77. Вдобавок авторы провели полногеномное ассоциативное картирование (GWAS) на 364 образцах коровьего гороха из коллекции Университета Калифорнии.

Оба метода показали связь между реакцией на Vu-In-А в фенотипе и одним генетическим локусом в растительном геноме. Наиболее четко эту связь проявили однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) 2_22560, 2_22561 и 2_09070, охватывая участок длиной в 22 тысячи пар оснований в хромосоме семь. Маркеры 2_22560 и 2_22561 оказались в гене Vigun07g219600, кодирующем рецептор-подобный белок (RLP). Этот ген авторы и признали кандидатом на роль искомого INR.

Чтобы убедиться в этом, они модифицировали растения табака (Nicotiana benthamiana) таким образом, чтобы они транзиентно (то есть без встраивания чужеродной генетической конструкции непосредственно в геном) экспрессировали ген Vigun07g219600 из коровьего гороха, а затем оценили их чувствительность к инцептину Vu-In. Для положительного контроля другую группу растений табака модифицировали так, чтобы они экспрессировали ген рецептора EF-Tu (EFR), распознающего пептид elf18, подобно инцептину приводя к повышению концентрации активных форм кислорода и этилена в растении.

Догадка авторов подтвердилась: растения табака, экспрессирующие ген Vigun07g219600, в отличие от тех, что содержат другой трансген, оказались чувствительны к воздействию инцептина Vu-In. Это говорит о том, что белок, кодируемый этим геном, специфично индуцирует запуск защитных реакций в растении в присутствии HAMP инцептина.

Авторы видят большую роль совершенного открытия в выяснении и глубоком понимании взаимоотношений между растениями и травоядными насекомыми, что особенно важно в свете современных трендов на снижение использования пестицидов в сельском хозяйстве. Они продолжают исследования и планируют теперь разобраться в особенностях лиганд-белковых взаимодействий между обнаруженным рецептор-подобным белком и распознаваемыми им молекулами.

Ученые давно интересуются отношениями между растениями и их вредителями. Накопление знаний об этом имеет утилитарный смысл, однако порой может и просто удивлять, а то и пугать. Например, мы писали о том, как томаты, защищаясь, способны превратить поедающих их гусениц в каннибалов, а о самом страшном кошмаре кофемана мы рассказывали здесь.

Фото: Eric A. Schmelz et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020