Strategia bioinżynieryjna mająca na celu ochronę przed patogenami roślin może pomóc we wspieraniu światowego bezpieczeństwa żywnościowego

Modyfikując roślinny wewnątrzkomórkowy receptor odpornościowy (NLR), badacze opracowali potencjalną nową strategię odporności na zarazę ryżu, jedną z najważniejszych chorób zagrażających światowemu bezpieczeństwu żywnościowemu. Współpracujący zespół z Wielkiej Brytanii i Japonii opublikował niedawno wyniki swoich badań w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk. Może to mieć konsekwencje dla przyszłego podejścia do ochrony upraw i ostatecznie globalnej stabilności dostaw żywności.

Badaniami kierował Wydział Biochemii i Metabolizmu w John Innes Centre wraz z partnerami z The Sainsbury Laboratory na Uniwersytecie Wschodniej Anglii oraz z Wydziału Genomiki i Hodowli w Iwate Biotechnology Research Center w Japonii. W kluczowej części badania naukowcy współpracowali z krajowym synchrotronem Wielkiej Brytanii, Diamond Light Source. Ich artykuł zatytułowany „Bioinżynieria roślinnego receptora immunologicznego NLR z solidnym interfejsem wiązania w kierunku konserwatywnego efektora patogenu grzybowego” został opublikowany na początku lipca.

Zaraza ryżowa pozostaje jedną z najbardziej opornych chorób zagrażających światowemu bezpieczeństwu żywnościowemu. Choroba ta jest wywoływana przez grzyb nitkowaty Magnaporthe oryzae i jest bezpośrednio odpowiedzialna za utratę ponad 30% zebranego ryżu rocznie. Patogen ten może również powodować zarazę na innych uprawach zbóż, w tym pszenicy i jęczmieniu.

Obecne podejścia do wdrażania trwałej odporności na choroby na polu są ograniczone tempem, w jakim można ją zidentyfikować w przyrodzie, oraz ewolucją patogenów roślinnych, takich jak zaraza, którym udaje się ominąć tę nową odporność. Bioinżynieria receptorów odpornościowych roślin, takich jak NLR, okazała się nową ścieżką generowania nowych cech odporności na choroby w celu przeciwdziałania rosnącemu zagrożeniu ze strony patogenów roślinnych dla światowego bezpieczeństwa żywnościowego, które można potencjalnie rozwijać na żądanie.

Rafał Zdrzałek, główny autor, wyjaśnia: „Patogeny wydzielają do komórek gospodarza białka zwane efektorami, aby manipulować metabolizmem roślin i sprzyjać infekcjom. Rośliny potrafią rozpoznać te efektory za pomocą receptorów immunologicznych zwanych NLR. Jednak nie zawsze łatwo jest zdefiniować receptor, który w sposób naturalny rozpoznaje dowolny efektor i nawet jeśli taki receptor istnieje, efektory patogenu mogą mutować i ewoluować, aby uniknąć tego rozpoznania.

„Badamy interakcje między efektorami patogenów a receptorami roślinnymi, aby zrozumieć sposób działania każdego patogenu, ale także pozwala nam majstrować przy naturalnych receptorach roślinnych i zmieniać specyficzność ich rozpoznawania”.

W swojej publikacji naukowcy skupili się na inżynierii receptora odpornościowego NLR z ryżu, aby silnie wiązać szerszą, konserwatywną rodzinę efektorów z patogenu grzyba zarazy.

Mark Banfield, autor korespondujący, dodaje: „Rozpoznając konserwatywną rodzinę efektorów, ten zmodyfikowany receptor immunologiczny stanowi dowód na zasadę przyszłego zapewniania silnej, dłużej żyjącej odporności na zarazę w rolnictwie. Może to być trudniejsze dla Patogen ewoluuje tak, aby uniknąć rozpoznania. Koncepcja inżynierii receptora immunologicznego gospodarza-docelowego może mieć również zastosowanie w przypadku innych chorób roślin, które polegają na dostarczaniu efektorów do komórek gospodarza ze względu na ich właściwości chorobotwórcze.

Wymieniając domenę związaną z metalami ciężkimi (HMA) ryżu NLR Pikm-1 na domenę białka ryżu OsHIPP43 (naturalny cel efektora Pwl2), badaczom udało się zmienić profil odpowiedzi receptora w celu rozpoznawania i reagowania na Pwl2 i Pwl2 szersza rodzina efektorów Pwl.

Naukowcy zebrali dane dyfrakcji promieni rentgenowskich na linii wiązki I04 brytyjskiego krajowego synchrotronu Diamond Light Source, aby zbadać szczegóły interakcji między tymi dwoma białkami. Struktura krystaliczna kompleksu ujawnia rozbudowany interfejs pomiędzy Pwl2 i OsHIPP43.

Co ciekawe, naukowcy przeprowadzili testy, aby wykazać, że nowe białko chimeryczne może rozpoznawać różne efektory Pwl u roślin.

Aby zbadać ograniczenia białka chimerycznego, wygenerowali serię ukierunkowanych mutacji w Pwl2 w oparciu o strukturę krystaliczną i przeprowadzili nowy test w celu sprawdzenia zmienionych swoistości rozpoznawania. W wielu przypadkach białko było w stanie rozpoznać efektor, wykazując solidność układu.

Wyniki badania wskazują na potencjał inżynierii NLR opartej na docelowym gospodarzu w opracowywaniu nowych cech oporności, które mogą być mniej podatne na przezwyciężenie przez ewolucję patogenu. Badania te mogą mieć daleko idące implikacje dla przyszłości ochrony upraw i globalnej stabilności dostaw żywności.