Kako rastlinski škodljivci povzročajo škodo?
Raziskovalci Kemijskega inštituta so koordinirali mednarodno raziskovalno skupino, ki je odkrila nov edinstven mehanizem, s katerim proteini, ki jih izločajo nekateri najpomembnejši povzročitelji bolezni poljščin, poškodujejo rastlinsko celično membrano. Pojasnitev molekulskega mehanizma tvorbe pore v rastlinski celični membrani, bo omogočila lažje načrtovanje in razvoj novih fitofarmacevtskih sredstev za zaščito rastlin in poljščin. Študija je bila objavljena v eni prestižnejših znanstvenih revij Science Advances. Dosežek je plod sodelovanja Kemijskega inštituta z Univerzo v Ljubljani in uglednimi tujimi raziskovalnimi ustanovami iz Velike Britanije, Japonske, Italije, Finske in Nemčije.
Bolezni rastlin so zelo pogoste in lahko povzročijo obsežno škodo na pridelkih, zaradi česar predstavljajo resno grožnjo stabilni svetovni oskrbi s hrano. Te bolezni povzročajo patogeni mikrobi, kot so bakterije, glive in oomicete (to so glivam podobni mikroorganizmi, imenovani tudi vodne plesni), ki izločajo proteine s katerimi poškodujejo gostiteljske rastline. Razumevanje načina interakcije teh proteinov z rastlinskimi celicami je ključnega pomena za razvoj novih sredstev za zaščito rastlin pred boleznimi. Ena takšnih bolezni je na primer krompirjeva plesen, ki je povzročila hudo lakoto na Irskem v 19. stoletju in še vedno predstavlja velik globalni problem.
V študiji, ki so jo zasnovali in vodili na Kemijskem inštitutu, se je mednarodna skupina raziskovalcev osredotočila na proteine NLP (ang. Nep-1-like proteins). Te proteine, ki povzročijo odmrtje rastlinskega tkiva, izločajo nekateri najpomembnejši rastlinski patogeni, ki poleg krompirja prizadenejo še paradižnik, sojo, tobak in vinsko trto. Raziskovalci so uporabili vrsto biokemijskih, biofizikalnih in računalniških pristopov, ter preučili, kako proteini NLP delujejo na rastlinsko celično membrano, del rastlinske celice, ki tvori selektivno pregrado med notranjostjo celice in zunanjim okoljem. Osredotočili so se na interakcijo proteina NLPPya iz oomicete Pythium aphanidermatum, ki povzroča zamrtje semen na raznih poljščinah, z modelno membrano, ki je vsebovala lipide glikozilinozitol fosforilceramide (GIPC), za katere so že v prejšnji študiji pokazali, da služijo za vezavo proteinov NLP na membrano.
Ugotovili so, da NLPPya poškoduje membrano v edinstvenem večstopenjskem procesu, ki vključuje začetno vezavo proteina na receptor GIPC v membrani, agregacijo proteina in tvorbo majhnih por v membrani. Rezultati računalniškega modeliranja in nevtronske reflektometrije so pokazali, da protein NLPPya ne prodre globje v membrano, kar je v nasprotju z do zdaj spoznanimi bakterijskimi ali sesalčjimi porotvornimi proteini, ki tvorijo urejene strukture, s katerimi prečijo membrano. Proteini NLP lahko interagirajo z več molekulami lipidov GIPC v membrani, kar vodi v destabilizacijo membrane in tvorbe por, preko katerih se iz rastlinske citoplazme sproščajo majhne molekule, ki služijo patogenom za hranila. Takšen mehanizem poškodbe membrane je prilagojen za okolje rastlinske celice.
Avtorji študije verjamejo, da bo poznavanje mehanizma, s katerim mikrobni patogeni poškodujejo membrano, odprlo vrata novim, bolj specifičnim načinom za zaščito najpomembnejših poljščin.
Prva avtorica raziskave dr. Katja Pirc, raziskovalka na Odseku za molekularno biologijo in nanobiotehnologijo, je ob tem dosežku dejala: »Poškodba rastlinske membrane s strani NLP proteinov je izredno škodljiv proces, zato ga želimo razumeti karseda podrobno. Na Kemijskem inštitutu se bomo v prihodnje posvetili preučevanju interakcije več proteinov NLP z rastlinsko membrano, saj želimo ugotoviti ali poškodujejo membrano na podoben način. Velik izziv bo predstavljala tudi določitev strukture pore s krio-elektronsko mikroskopijo«.
“Proteini NLP so zelo razširjeni v mikrobnih patogenih, ki napadajo rastline, zato predstavljajo pomembno tarčo za načrtovanje strategij, s katerimi preprečujemo poškodbe rastlinskih celic. Razumevanje, kako ti proteini poškodujejo celične membrane, je nujen predpogoj za nadaljnji razvoj takšnih strategij“, pravi prof. dr. Gregor Anderluh, vodja študije in direktor Kemijskega inštituta. Anderluh ob tem poudarja, da lahko načrtovanje strategij, ki ciljajo na ključne mikrobne efektorske molekule, pomembno prispevajo k zaščiti rastlin in ohranjanju varnosti svetovne proizvodnje hrane za prihodnje generacije.
Dr. Luke Clifton z britanske raziskovalne ustanove ISIS Pulsed Neutron and Muon Source enega od vodilnih svetovnih središč za raziskave na področju fizikalnih ved in ved o življenju, je ob objavi dosežka dejal: »Na ISIS opažamo vse večje število gostujočih znanstvenikov, ki preučujejo biokemijo lipidne membrane z uporabo nevtronske reflektometrije. Študija o interakciji toksinov NLP z modeli rastlinskih membran je izjemno lep primer, kako lahko ta tehnika zagotovi edinstvene strukturne informacije, ki nam pomagajo pridobiti poglobljeno razumevanje delovanja toksinov«.
Povezava na članek: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9406
Foto: KI
