Исследование хитиназ: ключ к защите сельскохозяйственных культур от грибных патогенов.

Хитиназы – это ферменты, которые гидролитически расщепляют хитин. Хитин представляет собой гомополимер с прямой цепью из единиц N-ацетил-D-глюкозамина (GlcNAc), связанных между собой β-1,4-связями. Хитин может быть обнаружен в экзоскелетах членистоногих и клеточных стенках некоторых грибов.

Расщепляя хитин, хитиназы угнетают рост грибов и высвобождают необходимые питательные вещества, которые растения могут использовать для своего роста и развития. Хитиназы вырабатываются различными организмами, включая грибы, бактерии, археи, вирусы, животных и растения. Их классификация основана на базе данных CAZy и включает семейства GH18, GH19 и GH20. Хитиназы GH18 широко распространены у эукариот и прокариот, в то время как хитиназы GH19 преимущественно обнаруживаются у растений.

Ученые из Национальной лаборатории Эймса Министерства энергетики США провели исследования хитиназ из риса и кукурузы в целях более глубокого понимания их роли в определении стрессового состояния растений и в борьбе с грибными патогенами. Результаты их исследований показывают, что эти ферменты могут стать ценным ресурсом в защите растений, как указано в пресс-релизе Лаборатории Эймс.

Кукуруза и рис являются важными сельскохозяйственными культурами. Они не только обеспечивают продовольствием, но также имеют значительные энергетические применения, включая производство биомассы после сбора урожая. Кукуруза является основной культурой для производства биотоплива, а рисовая шелуха используется для отопления и также для производства биотоплива.

Однако сельскохозяйственные культуры подвержены серьезным угрозам со стороны патогенов, таких как грибы, бактерии и вирусы. Грибы одни только вызывают потерю урожая кукурузы и риса на 35%–40% каждый год.

«Существует огромный интерес к хитиназам в растительном мире из-за их широкого распространения и роли в защите растений от грибных атак», объясняет Марит Нильсен-Гамильтон, ученый из Лаборатории Эймса и руководитель исследовательской группы, занимающейся хитиназами в защите растений.

Основная часть исследований команды была сосредоточена на ризосфере – узкой зоне почвы вокруг корней растений, где наблюдается активность микроорганизмов. Корни выделяют различные вещества, включая сахара и хитиназы, а также полимеры, которые помогают сохранить все вместе. Бактерии в почве также способствуют этим выделениям, образуя тонкую пленку на поверхности корней.

«В ризосфере растения выделяют сахар для привлечения бактерий, так как они хотят, чтобы эти ризобактерии находились рядом и помогали им. Растения питают бактерии, а бактерии, в свою очередь, питают и защищают растения. Однако грибные инфекции могут возникать, и когда растения находятся в состоянии стресса, они выделяют определенные хитиназы», говорит Нильсен-Гамильтон.

Команда ученых выбрала определенные хитиназы, которые выделяются растениями в ответ на грибные инфекции, рекомендованные Ольгой Заботиной, биохимиком растений из Университета штата Айова. В первую очередь, они провели полное исследование функциональных и молекулярных характеристик этих ферментов.

«В целом, мало было проделано в отношении очистки и характеристики хитиназ. Поэтому аспирант Сэмюэл Шобейд взялся за исследование их характеристик», пояснила Нильсен-Гамильтон.

Ученые хотели определить, являются ли эти хитиназы хорошим показателем стресса растений, вызванного грибами, и способны ли они убивать грибы. Они обнаружили, что одна из хитиназ была эффективной в уничтожении гриба Aspergillus niger, вызывающего черную плесень на различных сельскохозяйственных культурах.

Команда также исследовала, может ли хотя бы одна из этих хитиназ служить хорошим рецептором для аптамеров – нуклеиновых кислот, которые ведут себя подобно антителам, но не требуют участия животных для их создания. Нильсен-Гамильтон объясняет: «Мы разрабатываем аптамеры в пробирке. Это нуклеиновые кислоты, которые могут обнаруживать молекулы». Аптамеры могут быть использованы для обнаружения хитиназ и, возможно, для активации конкретных хитиназ, выделяемых в ответ на грибные инфекции. Однако хитиназа риса не оказалась хорошей мишенью для аптамеров из-за отрицательного заряда фермента и аптамера, которые отталкивают друг друга. В то же время хитиназа кукурузы оказалась подходящей для использования аптамеров.

В результате, исследователи решили использовать аптамеры нуклеиновых кислот для раннего обнаружения грибных инфекций, когда еще есть возможность спасти растение. «Наш инженер, Пранав Шротрия, разработал метод обнаружения молекул с помощью электрохимического устройства, используя аптамеры нуклеиновых кислот. Зонд можно сделать настолько маленьким, что его можно поместить в почву. Это дает нам возможность обнаруживать в почве то, что выделяют корни растений и бактерии», отметила Нильсен-Гамильтон.

Характеристика этих хитиназ является важным вкладом в разработку методов обнаружения белков, выделяемых растениями. Раннее обнаружение поможет фермерам оперативно принять меры, когда инфекция еще не слишком серьезна. Понимание работы хитиназ также способствует разработке целенаправленных методов лечения, в отличие от применения общих фунгицидов или вмешательства, когда растение уже серьезно повреждено.

Результаты исследований могут оказать экономическое влияние не только на традиционные сельскохозяйственные культуры и использование остатков биомассы в энергетике, но и на специализированные энергетические культуры, которые выращиваются специально для производства биомассы для топлива.

Результаты исследований опубликованы в журнале Frontiers in Plant Science.

Источник: Национальная лаборатория Эймса.Примеры поверхности хитиназы и ее вторичных структур представлены на графике.Графика: Министерство энергетики США, Национальная лаборатория Эймса.