Повилика, растение-паразит, которое каждый год наносит серьезный ущерб посевам в США и во всем мире, может подавлять экспрессию генов в растениях-хозяевах, из которых оно получает воду и питательные вещества. Эта межвидовая генная регуляция, которая включает гены, которые способствуют защите растения-хозяина от паразитов, никогда ранее не наблюдалась у паразитического растения. Понимание этой системы может дать исследователям метод создания растений, устойчивых к паразиту. Статья с описанием исследования группы, в которую входят ученые из Penn State и Virginia Tech, опубликована 4 января 2018 года в журнале Nature.
«Повилика - облигатный паразит, а это означает, что она не может жить сама по себе», - сказал Майкл Дж. Акстелл, профессор биологии в Пенсильванском университете и автор статьи. «В отличие от большинства растений, которые получают энергию посредством фотосинтеза, повилика откачивает воду и питательные вещества из других растений, соединяясь с сосудистой системой хозяина с помощью структур, называемых гаусториями. Мы смогли показать, что помимо питательных веществ, поступающих в повилику из растение-хозяин через гаусторию, повилика передает своему растению-хозяину микроРНК, которые самым прямым образом регулируют экспрессию генов-хозяев».
МикроРНК - это очень короткие фрагменты нуклеиновой кислоты - материала ДНК и РНК - которые могут связываться с информационными РНК, кодирующими белок. Это связывание микроРНК с матричной РНК предотвращает образование белка либо путем непосредственного блокирования процесса, либо путем запуска других белков, 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.
«Повилика, кажется, включает экспрессию этих микроРНК, когда вступает в контакт с растением-хозяином», - сказал Джеймс Х. Вествуд, профессор патологии растений, физиологии и науки о сорняках в Технологическом институте Вирджинии и еще один автор исследования. бумага. «Что было действительно интересно, так это то, что микроРНК специально нацелены на гены хозяина, которые участвуют в защите растения от паразита».
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 микроРНК 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 подразумевают, что эта межвидовая регуляция генов может быть более распространена в других взаимодействиях растений и паразитов», - сказал Акстелл. «Итак, с этими знаниями 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 подавляя эти гены. Таким образом, инженерная устойчивость к паразиту может снизить экономическое воздействие паразита на сельскохозяйственные растения».
В дополнение к Акстеллу и Вествуду в исследовательскую группу входят Сайма Шахид, Натан Р. Джонсон, Эрик Вафула, Фэн Ван, Джейда Корух и Клод В. де Памфилис из Пенсильванского университета; Ганджун Ким и Вивиан Бернал-Галеано из Технологического института Вирджинии; 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.