Ученые из Университета Шеффилда обнаружили механизм, благодаря которому растения могут выработать долгосрочный иммунитет к стрессу.

Биотический стресс, испытываемый растениями, может принимать форму нападения насекомых-травоядных или патогенов, вызывающих болезни. У культур, выращиваемых для производства продуктов питания, этот стресс представляет значительный риск для урожайности, и в настоящее время для борьбы с ним широко используются пестициды, которые наносят вред окружающей среде и могут представлять опасность для здоровья человека.

В связи с острой необходимостью поиска лучших и более устойчивых методов защиты растений профессор Юрриаан Тон из Института устойчивого питания Шеффилдского университета и его команда исследовали, как растения способны приобретать длительный иммунитет против этих стрессовых факторов.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Plants, объясняют механизм того, как растения "запоминают" стресс от предыдущей атаки, и что эта долгосрочная память закодирована в семействе "нежелательной ДНК", которая может стимулировать защитные гены в течение нескольких недель против дальнейших атак.

Доктор Тон, профессор кафедры экологической сигнализации растений из Школы бионаук Шеффилдского университета и старший автор исследования, говорит, что полученные результаты открывают новые возможности для управления иммунитетом растений в целях устойчивой защиты сельскохозяйственных культур и снижения зависимости от вредных пестицидов при производстве продуктов питания.

Он сказал: "Мы полагаемся на растения, чтобы прокормить планету, но они находятся в самом низу пищевой цепи, они не могут двигаться, поэтому они невероятно уязвимы для атак со всех сторон, включая насекомых-травоядных и патогенов, вызывающих болезни. Однако, как и у животных, у растений развилась способность приобретать иммунитет после восстановления после биотического стресса, но они используют для этого разные механизмы."

"Результаты исследования не только являются огромным скачком вперед в нашем понимании того, как растения "запоминают" стресс от предыдущих атак, но и раскрывают новую эпигенетическую функцию определенного семейства "нежелательной ДНК" (транспозонов; ДНК, которая не кодирует растительные белки). Эти знания могут помочь нам разработать новые стратегии селекции и выбрать для производства продуктов питания такие сорта культур, которые будут готовы к борьбе с вредителями и болезнями".

В исследовании изучалось долгосрочное воздействие гормона растительного стресса - жасмоновой кислоты - на Arabidopsis thaliana, широко известный как кресс-салат, родственник капусты и горчицы. Подвергаясь воздействию гусениц, группа проростков, обработанных жасмоновой кислотой, получила более низкий уровень повреждений, чем контрольная группа.

Хотя краткосрочное воздействие жасмоновой кислоты на защитные силы растений хорошо задокументировано, долгосрочные эффекты не известны, и команда обнаружила, что иммунная память о стрессе, вызванном обработкой жасмоновой кислотой, может сохраняться в течение нескольких недель и передаваться вновь развивающимся листьям, обеспечивая длительную устойчивость к гусеницам.

Результаты показали, что этот приобретенный иммунитет контролируется эпигенетическими механизмами с участием молекул малой РНК, генерируемых семейством транспозонов AtREP2, которые соединяются с белком AGO1, связывающим малую РНК. Затем РНК-связывающие белки AGO1 запускают удаленные защитные гены для более быстрого и сильного ответа на последующий стресс.

Исследование представляет собой первую модель долговременной иммунной памяти у растений и показывает, как эпигенетические модификации определенного семейства нежелательной ДНК могут подготовить растения к дальнейшему повреждению вредителями.

Доктор Самуэль Уилкинсон, научный сотрудник Школы биологических наук и первый автор работы, сказал: "Поскольку глобальная продовольственная безопасность является одной из самых больших проблем, с которыми мы столкнемся в будущем, крайне важно найти новые способы обеспечения здоровья и роста культур, на которые мы полагаемся".

"Это исследование - первый шаг к тому, чтобы дополнить и повысить эффективность и долговечность традиционных стратегий селекции сельскохозяйственных культур путем отбора растений с повышенной иммунной готовностью в качестве альтернативы использованию вредных пестицидов".

Сейчас исследователи сотрудничают с международной селекционной компанией, чтобы выяснить, могут ли они использовать другие связанные эпигенетические механизмы, такие как стресс для патогенов, вызывающих заболевания, и объединить их в новую стратегию защиты растений для более сложных геномов растений.

Самуэль добавил: "Это исследование открыло нам путь к разработке более точного и регулируемого метода внесения полезных эпигенетических изменений в геномы растений. Это будет иметь значение не только для защиты и селекции сельскохозяйственных культур, но и станет ценным исследовательским инструментом для изучения сложных механизмов, с помощью которых эпигенетически измененная ДНК может стимулировать защитные гены в пределах и между поколениями растений".