Jak rośliny zwalczają patogeny od wewnątrz
Infekcje grzybicze i bakteryjne niszczą co roku nawet 40% upraw, tymczasem od pokoleń rolnicy próbują chronić uprawy, stosując pestycydy chemiczne. Środki te pomagają zapewnić bezpieczeństwo żywnościowe, jednak ze względu na swoje nieselektywne działanie szkodzą środowisku naturalnemu. Z tego powodu strategia „od pola do stołu”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), będąca kluczowym filarem europejskiego Zielonego Ładu, ma na celu ograniczenie stosowania pestycydów o 50% do 2030 r. Odejście od pestycydów wymaga jednak zupełnie nowego podejścia do zwiększania odporności upraw. Zespół projektu ImmunoZoneHubs, realizowanego przy wsparciu z działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (MSCA), zbadał naturalne strategie zwalczania infekcji, które posiadają rośliny.
Strategie oparte na technologii zastosowane u Arabidopsis thaliana
Pochodzący z Europy i należący do rodziny kapustowatych gatunek Arabidopsis thaliana(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (Rrzodkiewnik pospolity) jest szeroko wykorzystywany w badaniach nad biologią komórkową roślin. Roślina ta jest organizmem modelowym, ponieważ jest łatwa w uprawie, charakteryzuje się szybkim cyklem życiowym i ma niewielki genom. Aby zrozumieć reakcje odpornościowe zachodzące w komórkach Arabidopsis, badacze wykorzystali techniki z zakresu biochemii, biologii komórkowej i genetyki molekularnej, a także narzędzia obliczeniowe. Strategie te pozwoliły im zrozumieć mechanizmy leżące u podstaw zdolności roślin do rozpoznawania i zwalczania infekcji.
Mechanizmy regulujące śmierć komórkową związaną z odpornością
Odpowiedź immunologiczna u roślin, podobnie jak u zwierząt, wymaga od komórek rozpoznania patogenu i jego zniszczenia. Proces ten opiera się na zaprogramowanej śmierci zainfekowanych komórek, a także komórek, które uległy przebudowaniu w odpowiedzi na patogen i znajdują się w stanie wysokiej gotowości immunologicznej. Badacze odkryli, że po aktywacji układu odpornościowego proteaza metakaspaza 1 (MC1)(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zmienia swoje położenie w komórce i wchodzi w interakcję z kluczowymi składnikami układu odpornościowego, skutecznie wzmacniając sygnalizację odporności komórkowej. Jednak takie komórki mogą wywołać reakcję autoimmunologiczną, jeśli pozostaną bez kontroli. Jak wyjaśnia stypendystka MSCA, Laia Armengot: „Te makrocząsteczkowe centra MC1 są następnie namierzane i rozkładane przez wewnętrzny mechanizm recyklingu rośliny zwany autofagią. Proces ten wskazuje na obecność homeostatycznego »wyłącznika«, który likwiduje czynnik wyzwalający śmierć komórkową, gdy zagrożenie zostanie opanowane”. Geny markerowe odgrywają również kluczową rolę w determinowaniu śmierci komórkowej związanej z odpornością. „Kluczowym rezultatem projektu jest funkcjonalna charakterystyka genu markerowego, który stanowi wiarygodny wskaźnik gotowości komórki do uruchomienia procesu samobójczej śmierci, a także identyfikacja nowych aktywności enzymatycznych i funkcji subkomórkowych regulujących decyzje komórek o przeżyciu lub śmierci w odpowiedzi na stres środowiskowy, taki jak atak patogenów”, wyjaśnia Armengot.
Potencjał zastosowań w rolnictwie
Po dokładnym zbadaniu działania genów markerowych i centrów MC1 zarówno w uprawach rolniczych, jak i roślinach modelowych, wnioski z projektu będą mogły zrewolucjonizować produkcję żywności w Europie. „Zrozumienie, w jaki sposób rośliny w naturalny sposób ograniczają strefy śmierci komórkowej i wyłączają kaskady immunologiczne, może pomóc hodowcom w projektowaniu »inteligentniejszych« upraw o zaprogramowanej odporności na infekcje, która jednocześnie minimalizuje uszkodzenia tkanek i straty plonów”, zauważa Armengot. Mechanizmy odpowiedzi immunologicznej odkryte przez zespół projektu ImmunoZoneHubs mają charakter uniwersalny i nie są specyficzne dla żadnego konkretnego patogenu. Oprócz wyjaśnienia reakcji rośliny na patogeny grzybicze lub bakteryjne mechanizmy te mogą również pomóc naukowcom w zrozumieniu reakcji organizmu na inne czynniki stresogenne znajdujące się w środowisku, takie jak upał czy susza. Dzięki zaproponowaniu szerokiej gamy strategii opartych na technologii projekt ten przyczynił się do urzeczywistnienia celów strategii „od pola do stołu”.
