В сотрудничестве с национальными и международными экспертами исследователи из Орхусского университета выявили новые фундаментальные особенности биомолекулярных взаимодействий, которые позволяют растениям идентифицировать и соответствующим образом реагировать на микроорганизмы. Новые результаты обеспечивают лучшее понимание механизмов, регулирующих способность растений взаимодействовать с полезными микроорганизмами, будучи устойчивыми к патогенным бактериям и грибам. Это может иметь последствия для будущего устойчивого сельского хозяйства, где все более активно используются полезные микроорганизмы для замены пестицидов.
Корни растений окружены тысячами бактерий и грибов, обитающих в почве и на поверхности корня. Чтобы выжить в этой разнообразной среде, растения используют сложные системы обнаружения, чтобы отличать патогенные микроорганизмы от полезных микроорганизмов.
Здесь так называемые молекулы хитина из микроорганизмов вместе с модифицированными версиями играют важную роль, поскольку они обнаруживаются системой надзора за растениями. Бобовые, например, создают защиту от патогенных микроорганизмов в ответ на простые молекулы хитина.
Однако, когда растение обнаруживает специфическую модифицированную молекулу хитина (называемую фактором Nod), которая выделяется из почвенных бактерий ризобий, происходит образование новых органов в виде «корневых узелков». Ризобийные бактерии могут проникать и колонизировать в этих симбиотических органах, и в конечном итоге они продуцируют азот для растения.
Обнаружение растений лигандами – такими как хитин и модифицированные факторы Nod – происходит через протеиновые рецепторы, локализованные на поверхности клеток. Исследования в Центре распознавания и сигнализации углеводов (CARB) показали, что распознавание лиганда посредством прямого связывания Nod-фактора является ключевым этапом рецепторной передачи сигнала, которая приводит к развитию корневых узлов в бобовых.
Высокоаффинное связывание наблюдалось в наномолярном диапазоне, сравнимом с биологически значимыми концентрациями, где Nod-фактор имеет активность in vivo. В отличие от этого простые молекулы хитина связываются с рецепторами с низкой аффинностью. Структурно-зависимая лигандная специфичность и связывающие аффинности лигандов у разных рецепторов могут поэтому определять, какой механизм ответа активируется у растений, подверженных воздействию различных микробов или микробных сообществ в окружающей среде.
Междисциплинарные подходы, сочетающие современную биохимию, хемоселективную химию и микробную генетику, позволили исследовать молекулярные механизмы, связанные с различением молекул фактора Nod, секретируемых из ризобий и хитина, секретируемых патогенными микроорганизмами.
Сложная задача очистки белков рецептора растений, которые присутствуют в очень низких количествах в корнях модельного бонуса Lotus japonicus, была успешно выполнена путем экспрессии рецепторов в гетерологичных растительных системах и очистки их от мембранных фракций.
Другой проблемой было создание анализов связывания с углеводными лигандами. Маркировка Nod-фактора и иммобилизация Nod-фактора способствовали этому, следуя применению хемоселективной химии.
Исследователи за результатами, которые только что были опубликованы в международном журнале PNAS, связаны с Центром углеродного распознавания и сигнализации Датского национального исследовательского фонда на факультете молекулярной биологии и генетики, Орхусский университет (Дания), химический факультет Университета Копенгаген (Дания) и Департамент микробиологии и иммунологии Университета Отаго (Новая Зеландия).