Zakłócenie rozwoju kwiatów

Niektóre choroby roślin powodują znacznie poważniejsze skutki niż tylko osłabienie liści czy zahamowanie wzrostu.

Fitoplazmy mogą tak drastycznie zaburzać rozwój, że kwiaty tracą swoją typową postać, a zamiast nich zaczynają tworzyć się struktury przypominające liście.

Nowe badania, opublikowane w czasopiśmie Journal of Biological Chemistry, wyjaśniają, w jaki sposób jedno z białek fitoplazmy wywołuje tę przemianę.

Wykorzystując techniki analizy strukturalnej oparte na promieniowaniu synchrotronowym, naukowcy wykazali, że bakteryjne białko PHYLOY potrafi naśladować cechy roślinnych regulatorów rozwoju i zakłócać molekularne instrukcje odpowiedzialne za prawidłowe tworzenie się kwiatu.

Jak kwiat traci swoją tożsamość

Fitoplazmy to bakterie przenoszone między roślinami przez owady. Wywoływane przez nie skutki mogą obejmować zarówno karłowacenie, jak i poważne zmiany w rozwoju rośliny.

W ciężkich przypadkach organy kwiatowe – w tym działki kielicha, płatki korony, pręciki i owocolistki – mogą przekształcić się w struktury przypominające liście. Choroba ta może dotknąć takie uprawy jak słonecznik, sezam czy winorośl.

Konsekwencje dla rolnictwa mogą być poważne. Choroby wywoływane przez fitoplazmy spowodowały już znaczne straty w plonach w różnych częściach świata. Na przykład epidemie choroby „śmiertelnego żółknięcia” palm kokosowych w Afryce wiązały się ze stratami sięgającymi 40% w Tanzanii i 20% w Ghanie.

Naukowcy obawiają się również, że problem może się nasilić w miarę jak owady przenoszące patogeny będą rozszerzać swój zasięg na północ, co jest związane ze zmianami klimatu.

Białko odpowiedzialne za zmianę

Zespół badawczy skupił się na białku fitoplazmy o nazwie PHYLOY – białku typu phyllogen pochodzącym ze szczepu Candidatus Phytoplasma asteris (wywołującego żółtaczkę cebuli).

PHYLOY oddziałuje na grupę białek roślinnych znanych jako czynniki transkrypcyjne z domeną MADS-box (MTF).

Białka te są niezbędne do prawidłowego rozwoju kwiatów. Współpracują one w czteroosobowych zespołach, wiążą się z DNA i aktywują geny decydujące o tym, jakie organy kwiatowe mają powstać.

Gdy system ten funkcjonuje prawidłowo, roślina otrzymuje jasne instrukcje dotyczące rozwoju. Białko PHYLOY zakłóca te instrukcje, wiążąc się z czynnikami transkrypcyjnymi i uniemożliwiając im prawidłowe łączenie się w zespoły oraz właściwe funkcjonowanie.

Obrazowanie synchrotronowe ujawnia mechanizm

Aby zrozumieć przebieg tej interakcji, naukowcy wykorzystali technikę małokątowego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (SAXS) w Europejskim Centrum Synchrotronowym (ESRF) w Grenoble we Francji. Eksperymenty przeprowadzono na linii badawczej BM29, analizując sposób, w jaki białko PHYLOY oddziałuje z trzema istotnymi czynnikami transkrypcyjnymi typu MADS-box.

Wyniki wykazały, że PHYLOY może wchodzić w interakcje z szerszym zakresem kombinacji czynników transkrypcyjnych, niż wcześniej sądzono.

Mark Tully, naukowiec biorący udział w badaniu, wyjaśnił, że uzyskane dane ujawniły znaczną elastyczność tego białka. Zdaniem zespołu badawczego elastyczność ta może pozwalać białku PHYLOY na przystosowanie się do współpracy z wieloma białkami gospodarza, zamiast polegać na jednym konkretnym celu molekularnym.

Forma molekularnej mimikry

Kolejnym krokiem była modyfikacja poszczególnych fragmentów białek metodą mutagenezy ukierunkowanej.

Poprzez zmianę określonych cech molekularnych naukowcy mogli blokować lub umożliwiać interakcje między PHYLOY a roślinnymi czynnikami transkrypcyjnymi. Wykazało to, że białko bakteryjne rozpoznaje cechy strukturalne wspólne dla różnych czynników typu MADS-box (MTF).

W efekcie PHYLOY zachowuje się jak molekularny naśladowca. Mimikuje ono cechy własnych białek regulatorowych rośliny-gospodarza na tyle wiernie, że zakłóca system sterujący rozwojem kwiatów.

Gdy prawidłowe współdziałanie czynników transkrypcyjnych zostaje zaburzone, dochodzi do zakłócenia programu genetycznego odpowiedzialnego za tworzenie płatków, pręcików i innych elementów budowy kwiatu. W rezultacie organy te rozwijają się, przybierając cechy przypominające liście.

Dlaczego to odkrycie jest istotne

Kierująca badaniami Chloe Zubieta wyjaśniła, że ​​zrozumienie mechanizmu, dzięki któremu fitoplazmy przejmują kontrolę nad roślinnym aparatem rozwojowym, może w przyszłości pomóc w opracowaniu sposobów ograniczenia ich negatywnego wpływu na rolnictwo.

Obecnie prace koncentrują się na podstawowych mechanizmach molekularnych, a nie na opracowaniu doraźnej metody leczenia zainfekowanych upraw. Kolejnym celem jest uzyskanie struktury krystalicznej kompleksu tworzonego przez PHYLOY i białka MADS-box w wysokiej rozdzielczości.

Max Nanao, kolejny naukowiec zaangażowany w projekt, powiedział, że zespół ma nadzieję połączyć te dane strukturalne z wysokoprzepustowym screeningiem wirtualnym, aby poszukać związków zdolnych do zablokowania wspomnianej interakcji. Odkrycia te zatem nie tylko wyjaśniają nietypowy objaw chorobowy u roślin, ale także ukazują, w jaki sposób patogen może wykorzystywać strukturę białek gospodarza do przeprogramowania procesu rozwoju.

Ta wiedza na poziomie molekularnym może w przyszłości stać się punktem wyjścia dla nowych strategii ochrony wrażliwych upraw w obliczu rozprzestrzeniania się chorób wywoływanych przez fitoplazmy na nowe obszary.