Профессор биологических наук Хуа Лу из UMBC и его коллеги обнаружили новые генетические связи между циркадным ритмом растения (по сути, внутренними часами) и его способностью бороться с болезнями и вредителями. Выводы готовились 10 лет и были опубликованы в Nature Communications на этой неделе. Результаты могут в конечном итоге привести к растениям, более устойчивым к болезнетворным патогенам и лучшему лечению болезней человека.
«Это довольно круто, - говорит Лу, - потому что и у растений, и у животных люди начинают изучать взаимосвязь между циркадными часами и иммунной системой».
Время решает все
В ответ на ежедневные атаки бактерий, грибков и других вредителей растения выработали различные стратегии самозащиты. Растения могут закрывать свои устьица - маленькие отверстия в восковом налете на листьях - для предотвращения проникновения некоторых бактерий. Они могут производить химические вещества, такие как салициловая кислота и жасмоновая кислота, для отпугивания бактерий и насекомых. Они также производят большое количество белков, которые важны для успешной защиты.
Такие действия, как закрытие устьиц, выработка салициловой кислоты и многое другое, происходят ежедневно, часто достигая пика в то время, когда определенные патогены и вредители наиболее активны. Ритмичный характер защиты растений предполагает, что растения координируют свои внутренние часы со своей защитной системой, чтобы повысить эффективность своих защитных действий.
В этом исследовании Лу и его коллеги впервые обнаружили, что LUX, центральный ген циркадных часов растений, важен для регуляции открытия и закрытия устьиц в определенное время суток, а также для активации защита, опосредованная салициловой кислотой и жасмоновой кислотой.
У типичного растения устьица открываются в течение дня, чтобы обеспечить обмен газами, необходимыми для фотосинтеза. Затем они закрываются на ночь, чтобы предотвратить потерю воды. Устьица также закрываются в ответ на атаки дневных патогенов. Они минимально реагируют на нападение ночью, потому что уже закрыты.
Однако Лу обнаружил, что у растений с нефункциональной версией гена LUX устьица открыты и днем, и ночью. Во время дневной атаки устьица остаются открытыми шире, чем у обычных растений. Однако во время ночного нападения некоторые устьица закрываются. Это означает, что растения, у которых отсутствует функциональный ген LUX, имеют меньший контроль над тем, когда их устьица открываются, что позволяет проникнуть внутрь большему количеству условно-патогенных микроорганизмов. Это различие указывает на то, что LUX имеет решающее значение для определения времени защитной реакции, управляемой устьицами, по-новому связывая защиту с циркадными часами.
Исследование Лу также посвящено взаимосвязи между геном LUX и защитными химическими веществами салициловой и жасмоновой кислотами. Хотя было известно, что циркадные часы могут регулировать защитные реакции, эта статья показывает, что верно и обратное: «Правильно настроенные циркадные часы важны для активации защиты., - говорит Лу.
Исследовательская группа специально показала, что присутствие LUX необходимо для нормальной передачи сигналов жасмоновой кислоты. В свою очередь, жасмоновая кислота также влияет на экспрессию LUX и циркадные часы. Эта взаимная регуляция между циркадными часами и защитной сигнализацией помогает растениям сбалансировать потребление энергии для нормального роста и развития и защитных реакций.
От ферм до фармы
Лу заинтересован в проведении дальнейших исследований, чтобы выяснить, как время влияет на систему защиты растений. Как циркадные часы влияют на различные аспекты защитных реакций? Какие молекулы патогенов и вредителей нарушают циркадные часы растения и впоследствии ограничивают его способность защищать себя? Лучшее понимание того, как часовые гены контролируют защиту растений и как патогены взаимодействуют с системами защиты растений, может принести пользу сельскому хозяйству и не только.
«Патогены все время находятся повсюду. Часто наиболее активная форма патогена меняется в течение дня. Кроме того, у растений могут быть разные стратегии защиты в разное время дня», - объясняет Лу. «Итак, когда лучше всего применять пестициды? Это может зависеть от патогена, способа его заражения и поведения ваших культурных растений. Я думаю, что необходимы полевые испытания, чтобы определить лучшее время для применения химикатов для достижения наибольшую эффективность в предотвращении заражения или распространения инфекции."
Меньшее использование пестицидов в целом уменьшит сток химикатов в водные пути и снизит затраты для фермеров. Сокращение использования антибиотиков может помочь снизить устойчивость к антибиотикам, что принесет пользу и людям.
Кроме того, активность иммунной системы не только растений колеблется в течение дня. Животные системы также имеют суточные циклы. Таким образом, «подобные идеи могут быть применены в области медицины», - говорит Лу.
Есть сходство между тем, как растения и животные взаимодействуют со своими патогенами и вредителями на молекулярном уровне. Возможно, в будущем ваш рецепт будет сопровождаться конкретными инструкциями по времени, или ваша операция будет назначена на основе активности вашей иммунной системы.
Наука в действии
Лу говорит, что все ее исследования, и, в частности, эта статья, состоящая из нескольких частей, проводятся сотрудниками ее лаборатории. «Здорово работать с таким количеством преданных своему делу людей, - говорит она. «Без них я бы не справился».
Сюда входят научный сотрудник с докторской степенью Чонг Чжан, который сейчас работает в Министерстве сельского хозяйства США, и нынешний постдокторант Мин Гао, которые являются соавторами новой статьи. Пять студентов бакалавриата и старшеклассник также внесли свой вклад в этот долгосрочный проект. Некоторые из экспериментов требовали тестирования каждые четыре часа в течение 24 часов, что означало, что кто-то спал на кушетке в лаборатории, когда они проводились.
В целом, члены команды Лу руководствуются потенциальными преимуществами, которые их работа может принести обществу. Они воодушевлены перспективой повышения урожайности, чтобы накормить растущее население, уменьшить загрязнение окружающей среды или снизить побочные эффекты лечения человека за счет улучшения сроков и дозировки.
«Эта область меня интересует, потому что я вижу, что моя работа может иметь практическое применение, и я думаю, что это важно», - говорит Лу. «Это должно быть целью каждого ученого - использовать свои знания в реальной жизни».