Спасает злаки от грибка спрей из молекул РНК

Как с помощью РНК-интерференции заставить молчать гены и превратить одну из ключевых молекул жизни в молекулу смерти, при чем здесь ген светящихся медуз и нобелевские исследования, разбирался Indicator.Ru.

Биологи из Института фитопатологии Гисенского университета имени Юстуса Либиха в сотрудничестве с коллегами из Северной Каролины предложили свой метод борьбы с грибком, поражающим посевы ячменя. Результаты представлены в PLOS Pathogens.

Грибы, которые воруют нашу еду

Население планеты постоянно растет, и, чтобы его прокормить, сельское хозяйство должно интенсивно развиваться. По данным продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, больше половины обработанных земель в мире занято злаками. Только вот питаться этими злаками любят не только люди, но и вредители и паразиты. Одним из них является плесневый грибок Fusarium graminearum (он же в бесполом поколении — Gibberella zeae), который поселяется на колоске, вероломно вторгаясь в растение через беззащитные устьица мягких тканей цветка. За короткое время грибок поражает саму развивающуюся зерновку, забирается под семенную кожуру и достигает эндосперма (питательное вещество для растительного зародыша). На колоске появляются коробочки со спорами, а сам он засыхает и становится белесым и непригодным в пищу, так как продукты жизнедеятельности грибка — токсины, опасные для человека и остальных животных. В виде грибницы и спор грибки зимуют в остатках пораженных растений, замышляя новые нападения.

Фузариоз злаков в последние 10-15 лет сильно распространен и в России: на некоторых полях количество пораженных растений достигает 20-50%. Бороться с грибками помогают пестициды, которые связываются с ферментом в мембране грибка, «грибной» разновидностью цитохрома P450. Это останавливает биосинтез эргостеролов — нерастворимых веществ, которые грибы встраивают в свою мембрану, но без которых отлично обходятся растения и животные. В итоге мембрана клеток паразита разрушается, и грибок погибает.

Использование пестицидов наносит большой ущерб окружающей среде, да и вредители со временем адаптируются к ним (об адаптации к пестицидам, ГМО и формировании суперсорняков Indicator.Ru уже писал). Заметили образование устойчивых форм еще в середине 70-х годов.

RISC заставляет гены молчать

Ген — это участок ДНК, некоторая последовательность кода из букв-нуклеотидов, которая шифрует инструкцию по сборке белка (и, в конечном счете, признак, которым будет обладать организм). Чтобы построить белок, нужно снять с ДНК, хранящейся в ядре, «ксерокопию» — матричную РНК, которая выйдет из ядра и станет матрицей для сборки белковой молекулы. Копия снимается путем «перевода»: каждой «букве» ДНК соответствует определенная «буква» РНК.

В 1998 году ученые обнаружили, что появление в клетке инородной двухцепочечной РНК может подавлять активность того участка ДНК (гена), которому она соответствует. Этот эффект, который назвали РНК-интерференцией, растения и животные используют для защиты от вирусов и транспозонов, геномных паразитов. В других ситуациях РНК-интерференция заставляет молчать «свои родные» гены — это нужно, потому что каждая клетка организма внутри содержит инструкции для работы всех остальных, а следовать необходимо лишь одной модели, в то время как все лишние гены разными способами «отключить».

Так как в норме молекула РНК — промежуточное звено в синтезе белка — состоит из одной цепи (в отличие от знакомой нам всем двойной спирали ДНК, с которой она синтезируется), появление такой причудливой конструкции клетку настораживает: а вдруг это вирус? И в самом деле, у некоторых вирусов (реовирусов) генетический материал хранится именно в такой форме. Поэтому запускается работа фермента Dicer, который режет странный объект на короткие кусочки по 20-25 нуклеотидов (буквы, которыми записан в РНК и ДНК генетический код). Одна из цепочек каждого фрагмента называется направляющей и становится «наводчиком», который «сдает» ген, ему соответствующий, грозному комплексу RISC. Этот комплекс берет направляющий фрагмент с собой и заставляет его «показывать» на подходящие ему последовательности ДНК или РНК. «Сданные» направляющей цепочкой РНК настигает белок-палач Argonaute, не давая с них синтезировать белок, а если интерференция действует и на ген в ДНК, а не только на РНК-«последствия», то замолкает и он сам, «боясь» RISC’a.

За изучение этого механизма у нематоды (круглого червя) Caenorhabditis elegans была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине 2006 года.

Ячмень, не дай себе засохнуть

Этот способ и решили использовать ученые, чтобы заставить «замолчать» важнейшие гены грибка-вредителя. Свой метод они назвали Spray-induced gene silencing, или SIGS (дословно — «вызванное спреем молчание генов»).

Чтобы удостовериться, что технология работает, ученые взяли штамм грибка, у которого присутствует ген зеленого флуоресцентного белка (GFP) медузы Aequorea victoria, который часто используют для проверки работы каких-либо генов, так как его свечение легко увидеть и зарегистрировать (за исследование этого белка дали Нобелевскую премию по химии 2008 года). Этим грибком заразили ячмень, потом опрыскали листья контроля буферным раствором, а остальные листья — раствором, содержащим двухцепочечные РНК, соответствующие трем главным генам, кодирующим грибные цитохромы. Оказалось, что спрей действует даже на отдаленные части листа, снижая уровень экспрессии каждого из грибковых генов примерно наполовину (на 48%, 50% и 58%).

Снабдив свои двухцепочечные РНК меткой АТТО 488 (красной флуоресцентной меткой, производимой немецкой компанией ATTO), ученые смогли убедиться, что их действие направлено именно на ядро, на «выключение» генов-мишеней, так как красный цвет сконцентрировался в клеточных ядрах.

Создав грибок, не имеющий фермента Dicer, биологи убедились, что именно этот фермент — ключевое звено процесса РНК-интерференции, однако без него грибок продолжает быть опасным для растений. Они также выяснили, что эффективность их препарата сохраняется вне зависимости от того, как само растение химически борется с агрессором.

Ученые считают, что их технология поможет развить безопасные природные методы ведения сельского хозяйства, которые не наносят ущерба окружающей среде.