Zrozumienie reakcji immunologicznych roślin pozwoli na uzyskanie lepszych plonów
Straty w plonach wywołane przez szkodniki i choroby stanowią jedno z największych wyzwań dla sektora rolnictwa na całym świecie. Ostatnie badania wykazały, że czynniki te stanowią przyczynę nawet 40-procentowych strat potencjalnej wydajności pól. Próby zwalczania patogenów za pomocą środków chemicznych mogą mieć szkodliwy wpływ na ekosystemy, a dodatkowo zwalczane drobnoustroje często rozwijają własną odporność w odpowiedzi na takie działania. Rośliny posiadają jednak własne mechanizmy ochronne, które mogą wykorzystać w celach samoobrony, aktywując pierwszą warstwę odporności zwaną odpornością uruchamianą przez patogeny (ang. pathogen-triggered immunity, PTI) w następstwie wykrycia drobnoustrojów. Uruchomiony tryb „wysokiej czujności” sprawia, że stają się one dużo bardziej odporne na zakażenie, między innymi dzięki zmianie ekspresji tysięcy genów. W ramach projektu transcriPTIon naukowcy badali tę reakcję na podstawie modelowej rośliny Arabidopsis thaliana, wykorzystując w tym celu szeroki wachlarz cząsteczek pozyskanych z drobnoustrojów. W ramach finansowanego przez UE projektu naukowcy odkryli, że wczesne wzorce ekspresji genów są niezwykle podobne nawet w przypadku reakcji na różne patogeny, a wiele spośród nich stanowiło odpowiedź na inne zagrożenia i czynniki. Sekwencjonowanie RNA z wykorzystaniem patogenów o bezprecedensowej różnorodności Rośliny wykrywają patogeny przy pomocy związanych ze ścianą komórkową receptorów znajdujących się na powierzchni komórek, które rozpoznają sygnatury mikrobiologiczne nazywane elicytorami. Rośliny reagują na zagrożenie uruchamiając swój układ odpornościowy przy pomocy szeroko zakrojonego przeprogramowania transkrypcji genów, które skutkuje całkowitą zmianą ekspresji genów w organizmie rośliny. „Wiedzieliśmy do tej pory naprawdę wiele o tym, w jaki sposób rośliny wykrywają drobnoustroje, lecz dużo mniej na temat ich sposobów obrony przed szkodnikami. Przed rozpoczęciem projektu nie wiedzieliśmy, w jakim stopniu reakcja zostanie dostosowana do sytuacji, a także jak szybko nastąpi”, mówi dr Marta Bjornson, stypendystka programu MSCA. W ramach projektu transcriPTIon badacze skupili się na znanych komórkach sygnałowych modelowej rośliny Arabidopsis thaliana. „Przeprowadzenie badań w kontrolowanym środowisku umożliwia łatwiejsze zrozumienie podstawowych zasad rządzących tym zjawiskiem, które być może jest identyczne w przypadku wszystkich interakcji pomiędzy roślinami oraz drobnoustrojami”, stwierdza dr Bjornson. W celu zbadania logiki transkrypcyjnej odporności roślin w ramach projektu transcriPTIon pobrano zestaw siedmiu elicytorów, a następnie podano je roślinom. Następnie pobrano sześć próbek RNA roślin w odstępach czasowych wynoszących od 5 minut do 3 godzin. Taki model badawczy pozwolił na zaobserwowanie wzorców ekspresji genów w przypadku wszystkich elicytorów, a także wszystkich punktów w czasie oraz czynników transkrypcyjnych, które mogą mieć wpływ na regulowanie tych wzorców. W ramach prac nad projektem transcriPTIon naukowcy odkryli, że wszystkie elicytory powodowały indukcję ekspresji szerokiego zestawu genów, zwłaszcza w ciągu pierwszych kilku minut po wykryciu elicytora. Ekspresja tych genów następowała także wówczas, gdy rośliny były poddawane działaniu czynników abiotycznych, takich jak sól, ekstremalne temperatury czy silne światło. Sugeruje to, że początkowa reakcja nie stanowi odpowiedzi immunologicznej, ale raczej ogólną reakcję na stres. Późniejsze reakcje roślin stały się bardziej skonkretyzowane, np. jeden elicytor powodował ekspresję wyjątkowego zestawu genów. Podczas późniejszych pomiarów okazało się jednak, że wszystkie elicytory wywołują ekspresję pewnego zestawu genów, której nie wywoływały czynniki abiotyczne, co sugeruje istnienie wyspecjalizowanej reakcji immunologicznej. Bezpieczeństwo żywnościowe i zrównoważone rolnictwo W ramach projektu transcriPTIon naukowcy określili zakres oraz czas typowych reakcji odpornościowych na drobnoustroje oraz czynniki abiotyczne. Rezultaty projektu transcriPTIon mogą prowadzić do zwiększenia wrodzonej odporności roślin uprawnych, zwiększając stabilność plonów i zmniejszając naszą zależność od pestycydów. „Czeka nas jeszcze wiele pracy, aby przekuć wyniki przeprowadzonych badań na produkt, który trafi na rynek. Nadal skupiamy się na analizie genów wpływających na odporność modelowej rośliny na modelowy patogen, badając wszystkie czynniki, które należy zweryfikować na podstawie roślin uprawnych, różnorodnych patogenów oraz w warunkach polowych”, wyjaśnia dr Bjornson. Dr Bjornson skupia się obecnie na badaniach czynników transkrypcji zaobserwowanych w ramach projektu transcriPTIon. Dotychczas odkryła, że co najmniej jeden z czynników regulujących ogólną odpowiedź na stres jest konieczny do uruchomienia reakcji immunologicznej rośliny. Dr Bjornson zajmuje się również badaniem szeregu genów, których ekspresja zdaje się być regulowana tylko i wyłącznie w odpowiedzi na patogeny.
Słowa kluczowe
transcriPTIon, choroba, roślina, zakażenie, układ odpornościowy, drobnoustroje, patogen, plony, bezpieczeństwo żywnościowe, zwalczanie szkodników, odporność
