W jaki sposób kukurydza broni się przed roślinożercami?
Rośliny wykształciły wiele sposobów obrony przed roślinożercami. Strukturalne mechanizmy obronne, takie jak kolce, utrudniają roślinożercom żerowanie na nich; podobnie jak uwalnianie unikalnych związków chemicznych, takich jak kapsaicyna, substancja chemiczna, która nadaje chili ostrość. Ale układ odpornościowy rośliny może być jej najlepszym mechanizmem obronnym. Wiele roślin wykrywa niebezpieczeństwo, rozpoznając cząsteczki uwalniane przez atakującego roślinożercę lub same uszkodzone rośliny. Inicjują one zmiany w strukturze rośliny lub wytwarzają metabolity toksyczne dla roślinożerców lub przyciągające ich wrogów – w myśl zasady: „wróg mojego wroga jest moim przyjacielem”. „Nie wiemy jednak, czy rośliny łączą i integrują różne rodzaje sygnałów w celu uzyskania silniejszej obrony, a jeśli tak, to w jaki sposób”, dodaje Matthias Erb z Uniwersytetu w Bernie, będącego gospodarzem projektu i koordynatorem finansowanego ze środków UE projektu InteCue. Czerpiąc wiedzę z genetyki, biologii molekularnej, biochemii i ekologii chemicznej, zespół projektu InteCue zbadał, czy rośliny łączą unoszące się w powietrzu sygnały zagrożenia (substancje lotne) z wewnętrznymi sygnałami peptydowymi roślin, aby zapewnić sobie silniejszą obronę.
Badanie hipotezy integracji sygnałów
Według Lei Wanga, stypendysty działania „Maria Skłodowska-Curie”, sygnalizacja obrony roślin była przedmiotem badań głównie genetyków i biochemików, podczas gdy interakcje między roślinami a roślinożercami związane z substancjami lotnymi były domeną ekologów chemicznych. „Spowodowało to, że molekularny mechanizm stymulujący sygnalizację lotną roślin pozostaje w dużej mierze niezbadany”, wyjaśnia. Projekt InteCue rozpoczął się od przyjrzenia się sygnalizacji systeminy w pomidorach. Systemina to niewielki peptyd wytwarzany w pomidorach w odpowiedzi na atak owadów. Zespół odkrył wcześniej, że indukuje on obronę przeciw roślinożercom poprzez dwa białka receptorowe na powierzchni komórki, SYR1 i SYR2. Dobrze poznane mechanizmy regulacyjne sprawiają, że systemina jest doskonałym kandydatem do badania integracji sygnalizacji, uzupełnionym o bogatą kolekcję zasobów genetycznych.
Od pomidorów po kukurydzę
Zespół najpierw wykorzystał technologię edycji genów CRISPR, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak regulowany jest przepływ sygnałów, a następnie zbadał, czy różne substancje lotne i / lub systemina zwiększają emisję własnych obronnych substancji chemicznych przez rośliny. „Pomimo publikacji wykazujących pozytywny efekt nie udało nam się znaleźć na to zbyt wiele dowodów w pomidorach, przynajmniej w badanym przez nas okresie – 16 godzin po podaniu”, mówi Wang. Następnie zespół wziął pod lupę kukurydzę, co doprowadziło do jego kluczowego odkrycia: młode liście kukurydzy działają jak „nos” i są w stanie „wyczuć” lotne substancje stresowe, podczas gdy dojrzałe liście skupiają się na obronie chemicznej, wyzwalanej przez mały peptyd ZmPep3. „To fascynujące, że liście mogą specjalizować się w wykrywaniu kluczowych sygnałów ostrzegających przed atakiem”, dodaje Erb. Chociaż wyniki są dopiero w fazie wczesnej analizy, zespół znalazł możliwe dowody na zdolność kukurydzy do integrowania lotnych sygnałów i sygnałów peptydowych w celu wygenerowania silniejszej obrony.
Inteligentniejsze uprawy na rzecz bardziej zrównoważonego rolnictwa
Odkrycia zespołu projektu InteCue mogą ostatecznie przyczynić się do opracowania dostosowanych strategii hodowlanych, które zapewnią roślinom większą odporność na szkodniki, co z kolei przyczyni się do bardziej zrównoważonego rolnictwa. „Geny kukurydzy, które obecnie charakteryzujemy, mogą pewnego dnia zostać ukierunkowane przez inżynierię genetyczną w celu stworzenia odmian o wysokiej wrażliwości na substancje lotne, czyniąc je bardziej odpornymi na roślinożerców”, podsumowuje Erb. Zespół poszukuje obecnie białka kukurydzy, które pełni funkcję „nosa”, jednocześnie pracując nad wyjaśnieniem całego szlaku molekularnego od wykrywania lotnych substancji do produkcji związków obronnych. Ich celem jest również zlokalizowanie białka, które tworzy ośrodek łączący sygnalizację lotną i peptydową.
Słowa kluczowe
InteCue, roślinożercy, roślina, odpornościowy, metabolity, kukurydza, pomidor, substancje lotne, peptyd, stres
