Почему растения перестают цвести и вместо цветов появляются листья?
Фитоплазмы — бактерии, переносимые насекомыми, способны полностью изменить судьбу цветка: вместо лепестков, тычинок и пестиков на растении формируются листья. Такая болезнь, называемая филлодией, в отдельные годы стоила кокосовой промышленности Танзании до 40% урожая. Недавно международная команда исследователей, работавшая на синхротроне ESRF, нашла молекулярный механизм, лежащий в основе этого превращения. Результаты опубликованы в журнале Journal of Biological Chemistry и отмечены редакцией как важная работа.
Бактерии-диверсанты, меняющие облик растений
Фитоплазмы живут во флоэме растений и передаются от одного хозяина к другому цикадками и другими сосущими насекомыми. У них нет клеточной стенки, поэтому вне растительного организма они быстро погибают. Но внутри растения бактерии выделяют эффекторные белки, которые вмешиваются в тонкие настройки роста.
Симптомы поражения можно перечислить кратко:
- общее угнетение роста и карликовость;
- пожелтение, деформация листьев и побегов;
- превращение цветков в листоподобные структуры;
- стерильность и резкое падение урожайности.
Экономические последствия серьёзны. Вспышки фитоплазменной кокосовой болезни в Африке, известные с 1930-х годов, привели к потерям кокосов до 40% в Танзании и примерно 20% в Гане. Под угрозой оказались и подсолнечник, и кунжут, и виноград. Поскольку ареал насекомых-переносчиков из-за потепления смещается всё дальше к северу, учёные ожидают, что фитоплазменные болезни будут встречаться в регионах, где раньше их практически не фиксировали.
Белок PHYLOY как молекулярный хамелеон
В центре исследования оказался белок PHYLOY, который производит фитоплазма Candidatus Phytoplasma asteris из штамма луковой желтухи. Его относят к группе эффекторных белков, названных филлогенами. Главная цель PHYLOY — растительные MADS-box транскрипционные факторы, сокращённо MTF.
MTF управляют развитием цветка. Белки собираются в комплексы по четыре молекулы, связываются с ДНК и включают гены, которые определяют судьбу каждого органа: быть ли чашелистиком, лепестком, тычинкой или пестиком. PHYLOY нарушает этот порядок. Он вмешивается в сборку комплексов и занимает место растительных факторов, искажая сигнал.
Ранее считалось, что PHYLOY действует на ограниченный круг белков. Новые эксперименты показали: он распознаёт гораздо более широкий спектр MTF-комбинаций. Исследователи подчёркивают, что данные указывают на высокую пластичность взаимодействий между бактериальным белком и растительными факторами. Это позволяет патогену эффективно манипулировать развитием разных культур.
Синхротрон помог разглядеть молекулярную маскировку
Ключевые измерения проходили на линии BM29 синхротрона ESRF в Гренобле. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния, или SAXS, позволил наблюдать форму белковых комплексов в растворе. Учёные сравнили, как меняется пространственная структура, когда PHYLOY присоединяется к MTF. Затем последовал точечный мутагенез: отдельные аминокислоты в белках заменяли другими, разрушая или, наоборот, усиливая связывание.
Итоговая картина оказалась элегантной. PHYLOY действует как структурный имитатор: он копирует общие поверхностные черты разных растительных транскрипционных факторов и блокирует их нормальную работу. Растение получает ложный сигнал, и зачатки цветочных органов перестают развиваться по заданной программе, превращаясь в листья. Подробности работы можно найти в оригинальном исследовании в Journal of Biological Chemistry.
Что это даст сельскому хозяйству
Понимание молекулярного механизма сразу подсказывает путь к защите растений. Если подобрать вещество, которое не даст PHYLOY связываться с MTF, фитоплазма потеряет способность перепрограммировать цветок.
Сейчас исследователи работают над получением кристаллической структуры комплекса MTF-PHYLOY с высоким разрешением. Такие данные планируют использовать для высокопроизводительного виртуального скрининга потенциальных ингибиторов. Слова одного из авторов работы, ESRF-учёного Макса Нанао, точно описывают цель: «Мы надеемся использовать эти данные для дизайна ингибиторов этого взаимодействия».
Практические шаги, которые уже можно делать, выглядят так:
- отслеживать популяции насекомых-переносчиков на новых территориях;
- выводить и высаживать устойчивые сорта культур;
- своевременно удалять заражённые растения, чтобы не дать инфекции распространиться;
- создавать молекулярные средства защиты, блокирующие белок-имитатор.
Климат продолжает меняться, а это значит, что проблема фитоплазм не потеряет актуальности. Возможно, следующее крупное открытие в этой области произойдёт не в поле, а в кристаллографической лаборатории.
Остаётся открытым вопрос: сможет ли растение, чьи MADS-факторы слегка изменены, остаться невидимым для бактерии? Если да, то устойчивость к болезни можно будет заложить прямо в геном культурных сортов.
