Повилика, растение-паразит, которое ежегодно наносит ущерб посевам на миллионы долларов, является скрытным захватчиком, способным вести войну с генами своих растений-хозяев. Нападавший использует весьма изощренный метод обезоруживания своих жертв, включающий межвидовые манипуляции с генами, которые никогда раньше не наблюдались у растений-паразитов. Понимание секретной системы связи повилики, которая действует подобно компьютерному вирусу, может дать исследователям метод создания растений, устойчивых к паразитам.
На этой неделе в журнале Nature появилась статья с описанием исследования группы ученых из Технологического института Вирджинии и штата Пенсильвания.
«Большая новость заключается в том, что теперь у нас есть доказательства функции РНК, которой обмениваются повилика и ее добыча», - сказал Джим Вествуд, профессор патологии растений, физиологии и науки о сорняках в Технологическом колледже Вирджинии. Сельское хозяйство и науки о жизни, автор статьи.
Ранее мы узнали, что информационная РНК, нуклеиновая кислота, присутствующая во всех живых клетках, чья основная роль заключается в том, чтобы действовать как мессенджер, несущий инструкции от ДНК, перемещается между растениями-паразитами и их хозяевами, но нам еще предстоит это обнаружить. значение этого обмена. Но когда мы рассмотрели микроРНК, мы обнаружили, что повилика также передает эту нарезанную форму РНК своей жертве, которая затем осуществляет контроль над генетической экспрессией хозяина..
Представьте битву между хозяином и паразитом. В этом случае повилика пытается взломать информационную систему хозяина, а хозяин пытается отключить ее. МикроРНК - это новый класс оружия, используемого в войне, - сказал он.
МикроРНК - это короткие фрагменты нуклеиновой кислоты - материала ДНК и РНК - которые могут связываться с информационными РНК, кодирующими белок, поскольку они имеют комплементарную последовательность A, U, C и G. Это связывание микроРНК с информационная РНК предотвращает образование белка, либо напрямую блокируя процесс, либо запуская другие белки, которые разрезают матричную РНК на более мелкие части. Важно отметить, что небольшие остатки матричной РНК затем могут функционировать как дополнительные микроРНК, связываясь с другими копиями матричной РНК, вызывая дальнейшее замалчивание генов.
Команда обнаружила, что микроРНК выполняют более мощную функцию, чем считалось ранее. Ученые исследовали микроРНК паразита, когда он проникал в хозяина, и обнаружили, что микроРНК отключают определенные гены в растении-хозяине. Факты указывают на тот факт, что эти гены-мишени - это те самые гены, которые паразиту необходимо заставить замолчать, чтобы установить доминирование.
Взаимодействие хозяина и паразита включает использование микроРНК в качестве посланников гибели. Они перехватывают информацию у хозяина», - сказал Вествуд, который связан с Институтом наук о жизни Фралина., грибы и насекомые используют микроРНК в качестве дистанционных сигналов против других организмов. В этих случаях патоген посылает микроРНК, чтобы отключить защиту хозяина. Точно так же хозяин запускает свои собственные микроРНК в патоген. МикроРНК - это новый класс оружия, используемого в войне».
Это исследование основано на предыдущих исследованиях Westwood. В первом, опубликованном в августе 2014 года в журнале Science, было представлено открытие новой формы межорганической коммуникации с использованием матричной РНК, показывающее, что растения делятся друг с другом огромным количеством генетической информации. Во втором, опубликованном в ноябре 2016 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, было представлено открытие, что сорняки-паразиты могут красть гены у своих жертв, а затем использовать эти гены против растения-хозяина.
Когда растение подвергается нападению паразита, оно запускает ряд защитных механизмов. В одном из этих механизмов, подобно свертыванию крови после пореза, растения вырабатывают белок, который свертывает поступление питательных веществ к месту нахождения паразита. МикроРНК из повилики нацеливается на информационную РНК, которая кодирует этот белок, что затем помогает поддерживать свободный приток питательных веществ к паразиту. Ген, который кодирует этот свертывающий белок, имеет очень похожую последовательность у многих видов растений, и исследователи показали, что микроРНК из повилики нацелены на участки последовательности гена, которые являются наиболее консервативными у растений. Из-за этого повилика, вероятно, может заглушить этот свертывающий белок и, следовательно, паразитировать на самых разных видах растений.
Исследователи секвенировали все малые РНК в тканях одного паразита, одного растения-хозяина и их комбинации. Сравнив данные секвенирования из этих трех источников, они смогли идентифицировать микроРНК из повилики, которые попали в ткань растения. Затем они измерили количество матричной РНК генов, на которые нацелены микроРНК повилики, и увидели, что уровень матричной РНК хозяина снижался при наличии микроРНК повилики.
«Наряду с предыдущими примерами обмена малыми РНК между грибами и растениями, наши результаты показывают, что эта межвидовая регуляция генов может быть более распространена в других взаимодействиях растений и паразитов», - сказал Майкл Дж. Акстелл, профессор биологии. в Penn State и автор статьи. «Итак, с этим знанием мечта состоит в том, чтобы мы могли в конечном итоге использовать технологию редактирования генов для редактирования целевых участков микроРНК в растениях-хозяевах, предотвращая связывание микроРНК и заглушая эти гены. Создание устойчивости к паразиту таким образом могло бы уменьшить экономическое воздействие паразита на сельскохозяйственные растения».
В дополнение к Вествуду и Акстеллу в исследовательскую группу входили Ганджун Ким, бывший докторант из Чикаго, и Вивиан Бернал-Галеано, аспирант из Колумбии, из Технологического института Вирджинии; Сайма Шахид, Натан Р. Джонсон, Эрик Вафула, Фэн Ван, Сейда Корух и Клод В. де Памфилис из Университета штата Пенсильвания; и Тамия Файфер из колледжа Нокс.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом США и Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства США. Дополнительную поддержку оказали Институты наук о жизни им. Хака в Пенсильвании.