Inginerie genetică pentru protejarea cerealelor de ciuperca blast
Cercetătorii au făcut un pas important în efortul global de a proteja culturile de cereale de ciuperca distructivă Magnaporthe oryzae, responsabilă pentru cea mai gravă boală a orezului cultivat și care s-a răspândit la grâu și orz în părți din Asia și Africa. O colaborare de cercetare condusă de John Innes Centre, împreună cu cercetători de la Universitatea Kobe din Japonia, a explorat o clasă recent descoperită de receptori de apărare ai plantelor, arătând la nivel molecular cum limitează atacurile patogenului blast și cum ar putea fi modificați prin bioinginerie pentru a oferi imunitate mai largă și mai durabilă la grâu, orz și orez.
„Am descoperit ceva care ar putea duce la o intervenție potențială asupra celei mai grave boli fungice a cerealelor”, a declarat Mark Banfield, profesor și lider de grup la John Innes Centre și autor al studiului.
Cum recunosc plantele un atac
Pentru a infecta plantele, patogeni precum Magnaporthe oryzae inserează efectori în celulele frunzelor și tulpinilor pentru a manipula gazda și a promova boala. Plantele au receptori care recunosc efectorii ca molecule străine și declanșează un răspuns imun care inițiază moartea celulară localizată pentru a limita răspândirea patogenului.
Timp de peste 30 de ani, un volum considerabil de cercetare s-a concentrat asupra unei clase de receptori imuni numiți receptori nucleotide-binding și leucine-rich (NLR). În ultimii ani, studiile s-au orientat tot mai mult către o nouă clasă de receptori imuni intracelulari descoperiți la cereale, numiți proteine kinază tandem (TKP). Cercetări anterioare au arătat că TKP pot conține un domeniu integrat asociat metalelor grele (HMA), o caracteristică observată și la unii receptori NLR. Acest domeniu s-a dovedit important pentru recunoașterea efectorilor și declanșarea unui răspuns imun.
„Acest lucru ne-a stârnit interesul”, a spus Banfield. „Dacă putem modifica prin inginerie aceste domenii HMA integrate pentru noi proprietăți, făcând modificări de aminoacizi acolo unde se leagă efectorii, putem obține ceea ce numim specificități de recunoaștere noi — și potențial o nouă linie de apărare a plantelor împotriva bolilor.”
Ingineria receptorilor pentru recunoașterea a doi efectori
În studiul publicat în Science Advances, grupul a folosit analiză biofizică și cristalografie pentru a dezvălui la rezoluție înaltă interacțiunea structurală dintre domeniile HMA și efectorii patogenului blast. Cercetătorii au arătat cum domeniile HMA joacă un rol critic în TKP acționând ca momeală biologică pentru a atrage efectorii patogeni. Folosind aceste cunoștințe structurale, au reușit să modifice prin bioinginerie receptorii imuni TKP pentru a avea specificitate duală — legarea de efectori asociați cu infecția atât la grâu, cât și la orz, ceva ce nu se întâmplă des în natură.
Testarea rezistenței dincolo de celulele individuale
Demonstrând că TKP sunt adecvați pentru bioinginerie, studiul pregătește terenul pentru cercetări suplimentare asupra multor TKP descoperiți recent în diverse culturi de cereale. Astfel de lucrări ar putea duce la receptori de rezistență la boli proiectați personalizat, care răspund simultan la multipli efectori. Aceste experimente de principiu au folosit protoplaste, celule individuale de grâu care servesc ca substituenți pentru țesutul vegetal întreg. Următorul pas al grupului este să transpună descoperirile de la testele surrogate la plante cultivate în seră.
„Studiul nostru indică faptul că această nouă clasă de proteine de rezistență este adecvată pentru inginerie. Acum știm că instrumentele anterioare folosite în ingineria receptorilor NLR pot funcționa și cu această clasă nouă”, a declarat Dr. Daniel Yu, primul autor al studiului.
Consolidarea apărării împotriva blastului
Înțelegerea fundamentală a legării efector-receptor poate fi completată de alte tehnologii, precum ameliorarea de precizie și abordările de inteligență artificială, care pot ajuta la bioingineria unei specificități noi în domeniile HMA.
„Credem că aceste două clase de receptori imuni, NLR și TKP, sunt probabil activați în moduri diferite”, a spus Banfield. „Aceasta oferă potențialul unei imunități mai robuste în câmp, pentru că nu îți pui toate ouăle în același coș. Mai departe, s-ar putea să folosim tehnici pentru a stivui genele care codifică TKP și NLR împreună împotriva aceleiași boli, creând o cultură super-rezistentă. Vor avea moduri diferite de activare a imunității, deci este probabil mai dificil pentru un patogen să evolueze pentru a le ocoli”, a adăugat el.
În fiecare an, blastul distruge suficient orez pentru a hrăni 60 de milioane de oameni. La grâu, ciuperca blast a fost descoperită pentru prima dată în Brazilia în anii 1980 și s-a răspândit de atunci în Asia și Africa. Nu este prezentă în Marea Britanie, dar schimbările climatice înseamnă că ar putea amenința eventual producția de cereale din nordul Europei.
