Секрет иммунитета томатов: пептид, который тормозит защиту и ускоряет рост

Представьте, что растения томатов ведут настоящую химическую войну с насекомыми-вредителями — и у них есть секретное оружие для поддержания баланса. Недавнее открытие учёных раскрывает, как томаты регулируют свою защиту, чтобы не навредить себе самим. Это не просто научный факт, а ключ к пониманию, почему наши овощи так эффективно борются с угрозами. Давайте разберёмся, как работает эта система и что из этого следует для сельского хозяйства.

Защитная система томатов: роль системина

Растения семейства паслёновых, включая томаты, оснащены сложной системой обороны от травоядных животных и патогенов. Центральную роль в этом играет сигнальная молекула под названием системин. Когда насекомые повреждают листья или стебли, системин запускает каскад защитных реакций. В результате растение производит вещества, которые нарушают пищеварение вредителей, делая питательные вещества недоступными для них.

Однако, как и в человеческом организме, постоянная активация защиты может быть опасной. Она способна замедлить рост, снизить урожайность и даже вызвать деформации. Поэтому растения эволюционировали, чтобы балансировать между защитой и развитием.

Открытие antiSys: естественный антагонист

Группа исследователей из Тюбингенского университета и Хоэнхаймского университета в Штутгарте сделала прорыв: они обнаружили ранее неизвестный пептид antiSys, который действует как естественный антагонист системина. Этот небольшой белок структурно похож на системин, но вместо активации подавляет рецептор SYR1, предотвращая чрезмерную реакцию иммунной системы.

В здоровых растениях antiSys преобладает, блокируя рецептор и поддерживая спокойное состояние. Но при атаке насекомых системин в больших количествах вытесняет antiSys, активируя защиту. Это открытие расширяет наше понимание иммунитета растений, показывая, что баланс достигается не только сигналами, но и их ингибиторами.

"AntiSys связывается с тем же рецептором, что и Systemin, но не активирует его. Поскольку antiSys преобладает в здоровых растениях, он занимает рецептор и тем самым обеспечивает неактивность иммунной системы", — объясняет профессор Андреас Шаллер из Университета Хоэнхайма.

Эксперименты и последствия отсутствия antiSys

Чтобы подтвердить важность antiSys, учёные использовали технологию CRISPR/Cas9 для создания мутантных растений томатов без этого пептида. Результаты оказались впечатляющими: мутанты росли медленнее, давали меньше плодов и иногда имели серьёзные дефекты развития. Это происходило из-за неконтролируемой активации иммунитета — даже минимального системина хватало для запуска защитных реакций.

"Эти эффекты возникают в результате неконтролируемой активации иммунной системы. Если антагониста antiSys нет, даже минимального количества Systemin достаточно для активации рецептора и запуска защитных реакций", — говорит руководитель исследования, профессор Георг Феликс из Центра молекулярной биологии растений (ZMBP) Тюбингенского университета. "Однако если мы также удалим рецептор, растения останутся здоровыми, несмотря на отсутствие антиSys".

Дополнительный факт: томаты производят более 400 различных химических соединений для защиты, включая алкалоиды и фенолы, которые отпугивают вредителей. AntiSys помогает регулировать эту "армию", предотвращая перерасход энергии на ненужную оборону.

Кластер генов и эволюционная роль

Исследователи также нашли целый кластер генов в геноме томата, кодирующих четыре похожих пептида. Три из них действуют как системин, усиливая иммунитет, а antiSys — единственный антагонист, подавляющий реакции.

"Долгое время считалось, что системин — единственная молекула такого рода в растениях семейства паслёновых. Теперь мы обнаружили, что, помимо гена системина, в томате существует целый кластер генов, кодирующих четыре структурно схожих пептида (или их белков-предшественников)", — говорит Лэй Ван. "Три из этих пептидов по своей активности напоминают системин: они также запускают иммунные реакции. Только antiSys — и это самый интересный аспект — имеет прямо противоположную функцию: антагонист подавляет иммунные реакции".

AntiSys обнаружен и в других паслёновых культурах, таких как картофель, баклажаны и перец, что указывает на его древнюю эволюционную роль. Это открытие опубликовано в журнале Cell и поднимает вопросы о подобных механизмах в других растениях.

Параллели с иммунной системой человека и будущее применения

Учёные видят аналогии с человеческой иммунной системой: там антагонисты цитокинов предотвращают чрезмерное воспаление, а их отсутствие приводит к болезням вроде ревматоидного артрита или болезни Крона. В томатах antiSys поддерживает гармонию между защитой и ростом.

"Наше открытие поднимает вопрос о том, существуют ли аналогичные антагонисты у других видов растений и можно ли их специально использовать, чтобы сделать сельскохозяйственные культуры более устойчивыми, сохраняя при этом интенсивный рост", — говорит профессор Феликс.

В целом, это исследование подчёркивает, как растения балансируют выживание и продуктивность. Потенциально, манипуляции с antiSys могли бы помочь в создании более устойчивых сортов томатов, устойчивых к вредителям без ущерба для урожая. Интересный факт: глобально томаты — одна из самых выращиваемых культур, и улучшение их иммунитета могло бы снизить использование пестицидов на 20-30%, по данным исследований FAO.