Междисциплинарная группа под руководством исследователей из Университета Нагои обнаружила сильнодействующую и селективную молекулу SPL7, которая может привести к самоубийственному прорастанию семян ядовитого паразитического сорняка Striga. Стрига, также известная как ведьмин сорняк, нанесла серьезный ущерб миллионам гектаров посевных площадей в Африке и представляет серьезную угрозу продовольственной безопасности. Тем не менее, эффективный метод борьбы с заражением Striga остается проблемой. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, химики и биологи ITbM объединились для разработки многообещающей молекулы SPL7, которая избирательно увядает Striga при чрезвычайно низкой концентрации. Ожидается, что SPL7 уменьшит заражение Striga и снизит потери урожая на миллиарды долларов США каждый год.
Нагоя, Япония. В различных частях Африки к югу от Сахары можно увидеть пурпурно-розовые цветы, покрывающие поля. Красивые на вид, растения с розовыми цветками паразитируют через корневую систему, забирая минералы и воду из посевов и, таким образом, приводя к увяданию хозяина до появления зерен. Растение, известное как Striga hermonthica (Striga) или колдунья, представляет собой местное африканское растение-паразит, которое эволюционировало совместно с сорго в качестве естественного хозяина. Выросшая до 1 метра в высоту, Стрига производит 50 000 крошечных семян на протяжении всего скрещивания, тем самым накапливая в почве очень разнородные запасы семян. За последние несколько десятилетий Striga расширили свои географические территории на обширных африканских сельскохозяйственных угодьях в более чем 25 странах и быстро расширили свой ареал обитания до основных культур, включая кукурузу, просо, горный рис и эфиопскую культуру под названием теф, которая стала самой последней жертвой. В сильно зараженных районах количество семян Striga достигает до 15 000 на квадратный метр, что достаточно для полного уничтожения сельскохозяйственных культур с земель, которые потенциально дают 5 тонн кукурузы на гектар. В таких случаях мелкие фермеры вынуждены бросить свою ферму. Организация Объединенных Наций подчеркнула, что стрига, эндемичная для стран Африки к югу от Сахары, представляет собой серьезную угрозу для борьбы с бедностью, поскольку ее экономический ущерб составляет 10 миллиардов долларов США в год и затрагивает 100 миллионов человек. Междисциплинарная группа под руководством исследователей из Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагои разработала многообещающую молекулу для борьбы со стригой.
В отличие от обычных растений, семена Striga остаются в состоянии покоя в почве более 20 лет. Семена прорастают только после того, как они почувствуют набор низкомолекулярных гормонов, стриголактонов (SL), выделяемых хозяином. После прорастания семена должны сразу же паразитировать на хозяевах. В противном случае проросшие семена израсходуют питательные вещества, хранящиеся в крошечных семенах, и завянут в течение 4 дней. Это свойство побудило исследователей разработать молекулы, подобные SL, в качестве индукторов самоубийственного прорастания, чтобы очистить почву от жизнеспособных семян Striga перед посевом семян сельскохозяйственных культур. Однако такой подход требует разработки сильнодействующих и доступных соединений, которые действуют только на Striga и не препятствуют нормальному развитию сельскохозяйственных культур. Например, SL также являются химическими сигналами, привлекающими корневые симбиотические арбускулярные микоризные грибы (AM-грибы), которые снабжают растения-хозяева питательными веществами. Несмотря на усилия по разработке более 300 SL-подобных молекул за последние 50 лет, ни одна из них не обладает одновременно высокой эффективностью и Striga-селективностью.
Молекулярная структура SL состоит из кольца ABC, соединенного с кольцом D. Попадая в карман белка-рецептора SL, SL расщепляется на линкерном участке. Считалось, что структура D-кольца важна, поскольку оно остается в кармане, чтобы активировать рецептор и способствовать прорастанию семян Striga. С другой стороны, модификация ABC-части привела к разработке вариабельных SL-подобных молекул. Тем не менее, точная структура, обеспечивающая Striga-селективность, оставалась неизвестной. Группа биологии растений в ITbM под руководством Юитиро Цутия инициировала поиск молекулы, селективной к Striga, из 12 000 синтетических молекул со случайной структурой и смогла идентифицировать ряд соединений-попаданий (представленных молекулой под названием SAM690), которые связываются с рецептор SL в Striga, но не в модельном растении Arabidopsis, и стимулировать прорастание семян Striga с умеренной активностью (микромолярный диапазон; 10-6 M).
Исследование продолжилось случайным открытием высокоактивного побочного продукта, образующегося при синтезе хитовых молекул. Группа химиков под руководством Дайсуке Урагучи и Такаши Оои выделила незначительное количество (0,01%) побочного продукта из сырой смеси соединения SAM и определила его структуру как гибрид SAM690 и компонента D-кольца SL. Оптимизированная молекула, которая называется сфинолактон-7 (SPL7), стимулировала прорастание Striga в фемтомолярном (10-15 М) диапазоне, но связывалась только с рецептором SL в Striga. Эффективность находится на одном уровне с природным стриголактоном, 5-дезоксистриогл (5DS), который является самым сильным стимулятором прорастания Striga среди всех имеющихся в продаже соединений. Названный в честь сфинкса (мистического существа с головой льва и телом человека), SPL7 появился как гибридная молекула, которая наследует Striga-селективность от SAM690 и высокую активность от SL..
Как и ожидалось от избирательного связывания с рецептором SL у Striga, SPL7 не проявлял типичной активности SL у арабидопсиса, такой как уменьшение количества ветвей побегов или удлинение корневых волосков. Не только арабидопсис, но и SPL7, по-видимому, также оказывает ограниченное влияние на рост AM-грибов, которые являются агрономически важными микробами. Наконец, исследовательская группа подтвердила, что SPL7 действительно вызывал самоубийственное прорастание Striga и защищал растение кукурузы от паразитизма Striga в лабораторных экспериментах. В заключение, команда доказала, что SPL7 является эффективным стимулятором суицидального прорастания Striga-селективного, по крайней мере, в лабораторных экспериментах.
Исследовательская группа ITbM планирует распространить открытие на полевые испытания SPL7 в Кении.