Mokslininkai atrado naują būdą, kaip padėti augalams kovoti su ligomis

2025-08-08

Per tris dešimtmečius trukusį tyrimą Rutgerso ir Brookhaveno nacionalinės laboratorijos mokslininkai iš Jungtinių Amerikos Valstijų įgijo išsamių žinių apie specializuoto baltymo vidinę struktūrą ir reguliavimo būdą ir dabar kuria priemones, kurios padės pasinaudoti jo savybėmis, padedančiomis augalams kovoti su įvairiomis ligomis.

Mokslininkai teigia, kad šis darbas grindžiamas natūraliu procesu, kai augalų ląstelės miršta tam, kad padėtų augalui išlikti sveikam, turėtų rasti platų pritaikymą žemės ūkio sektoriuje ir atverti naujas galimybes apsaugojant pagrindinius maistinius augalus nuo įvairių pražūtingų ligų.

Buhalterinė apskaita. Horizontali. Straipsnių viduje.

Tyrime, paskelbtame žurnale „Nature Communications“, Erikas Lamas (Eric Lam) iš Rutgers universiteto Niubrunsvike ir Čiunas Liū (Qun Liu) iš Brookhaven nacionalinės laboratorijos Niujorke vadovaujama komanda pranešė, kad pažangios kristalografijos ir kompiuterinio modeliavimo technologijų dėka jiems pavyko gauti iki šiol geriausią vaizdą apie labai reikšmingą augalų proteazę – baltyminį fermentą, kuris skaido kitus baltymus, žinomą kaip metakaspazę 9.

„Supratę metakaspazės 9 formą ir aktyvacijos būdą, dabar galime sukurti ilgai ieškotas priemones, kurios leistų panaudoti jos žinomas biologines funkcijas augalams apsaugoti nuo ligų ir aplinkos veiksnių, galinčių sunaikinti derlių“, – sakė Čiunas Liū.

Komanda jau pradėjo dirbti. Mokslininkai pateikė prašymą JAV patentų ir prekių ženklų biurui dėl laikinojo patento technologijoms, kurios gali būti sukurtos remiantis šiuo atradimu.

„Šis darbas gali atverti kelią daug saugesnei ir veiksmingesnei mūsų pasėlių priežiūrai visame pasaulyje“, – sakė E. Lamas.

Naudodami dažnai tiriamą augalą Arabidopsis thaliana, dar žinomą kaip baltažiedis vairenis, tyrėjai Brookhaveno nacionaliniame sinchrotroninės šviesos šaltinio II (NSLS-II) komplekse pritaikė rentgeno kristalografijos metodą, kad atskleistų metakaspazės 9 formą atomų lygiu. Iš ankstesnių tyrimų žinodami, kad fermentas aktyvuojamas padidėjus rūgštingumui, jie stebėjo ir užfiksavo, kaip fermentas keičia formą, kai veikiamas skirtingų koncentracijų rūgšties, atskleidžia pagrindinius baltymo pokyčius jo aktyvacijos metu.

Jų naujai įgytas kompleksinis supratimas apima kristalografijos duomenis ir molekulinės dinamikos modeliavimą, taip pat atliktą Brookhaveno laboratorijoje. Šis kompiuterinis metodas leido jiems stebėti, kaip fermentas elgiasi ir keičiasi skirtingomis sąlygomis. Komanda taip pat atliko laboratorinius eksperimentus, įskaitant vietos specifinę mutagenezę – techniką, kurią mokslininkai naudoja norėdami atlikti tikslius pokyčius tam tikroje DNR sekos dalyje ir patvirtinti konkrečių baltymo dalių, reikalingų jo veikimui, svarbą.

Integruodami šias žinias, mokslininkai nustatė, kad įvairios fermento dalys veikia kaip stabdžiai arba greitintuvai, užtikrinantys, kad fermentas bus aktyvus tik esant didesniam rūgštingumui.

Abi komandos bendradarbiauja jau dešimtmetį, siekdami geriau suprasti šį fermentą ir jo giminingą versiją – metakaspazę 4. Pastaruosius 30 metų E. Lamas tyrinėjo procesą, kuris yra esminis šio fermento vaidmuo augalų sveikatai – reiškinį, vadinamą programuota ląstelių mirtimi arba ląstelių savižudybe.

Mokslininkas teigė, kad užprogramuota ląstelių mirtis – tai procesas, kai ląstelės sąmoningai žūsta kaip natūralaus ir kontroliuojamo mechanizmo dalis. Tai ląstelės būdas nusižudyti vardan didesnės organizmo naudos. Šis procesas padeda pašalinti pažeistas ar nereikalingas ląsteles, kad organizmas išliktų sveikas ir tinkamai vystytųsi. Augaluose programuojama ląstelių mirtis yra labai svarbi kovojant su ligomis ir reaguojant į stresą.

Kitų mokslininkų darbai parodė, kad metakaspazė 9, kuri egzistuoja augaluose, bet ne gyvūnuose, yra susijusi su užprogramuota ląstelių mirtimi, o taip pat yra susijusi ir su dviem pagrindinėmis augalų ligų sukėlėjų rūšimis. Kai susiduriama su biotrofais, t. y. organizmais, kurie maitinasi gyvomis ląstelėmis, metakaspazė 9 padeda sunaikinti užkrėstas ląsteles ir sustabdyti ligą. Tačiau su nekrotrofais, organizmais, kurie žudo augalų ląsteles prieš jas suvartodami, metakaspazė 9 pasisavinama, kad greičiau sunaikintų paties augalo ląsteles, o tai padeda užpuolikams.

Tyrėjai teigia, kad metakaspazės 9 stiprinimas gali padėti išvengti biotrofinių ligų. Ir atvirkščiai, jei jos funkcija bus sutrikdyta, fermentas nepadės nekrotrofams žudyti sveikų ląstelių.

Biotrofų pavyzdys – į grybus panašūs oomicetai Phytophthora infestans, kurie XIX a. viduryje Airijoje sukėlė bulvių maro epidemiją ir po jos kilusį badą. „Daugelio augalų ligų, ypač grybelinių, atveju veiksmingų gydymo fungicidais galimybių yra nedaug, o daugeliu atvejų aplinkosaugos problemos yra gana rimtos, – sakė E. Lamas. – Sukūrę hiperaktyvias 9 metakaspazės versijas, galime apsaugoti augalus nuo šių biotrofų, anksčiau sukeldami ląstelių žūtį invazijos vietoje ir taip nutraukdami jų maisto atsargas.“

Tyrėjų grupė būtent tai ir padarė sukurdama, kaip mokslininkai apibūdino, „superaktyvius fermento variantus“, kurie gali būti gaminami augalų genų, kai jie yra skatinami, ir gali suteikti naujų atsparumo savybių daugeliui svarbių ligų, pavyzdžiui, miltligei ir rūdims.

Sunkiai kontroliuojamą augalų ligą, vadinamą baltuoju puviniu, sukelia nekrotrofinis grybinis patogenas Sclerotinia sclerotiorum, kuris gali užkrėsti daugelį augalų. Tai viena iš grybinių patogenų sukeliamų ligų, dėl kurios kasmet gali būti patiriama 10–20 % viso derliaus nuostolių. Remiantis JAV žemės ūkio departamento surinkta statistika, tai reiškia, kad kasmet žemės ūkis patiria 100–200 mlrd. dolerių finansinių nuostolių.

„Norint kovoti su nekrotrofiniais organizmais, kurie žudo ląsteles, kad galėtų jomis maitintis, būtinas supratimas, kaip keičiasi metakaspazė 9 molekuliniame lygmenyje. Tai gali padėti mums sukurti naujus agrochemikalus, kurie veiksmingai blokuotų šį fermentą, nekenkdami gyvūnams ir aplinkai, – sakė E. Lamas. – Juos būtų galima naudoti žemės ūkyje, siekiant sustabdyti kenksmingų nekrotrofų augimą, o tai leistų saugiau ir veiksmingiau gydyti pasėlius visame pasaulyje.“

Parengta pagal užsienio spaudą, agroakademija.lt informacija