Есть желающие ответить на вопрос о роли мха в урожайности сельскохозяйственных культур? Желающих не замечено, и это понятно: где мох, а где пшеница или картошка! Но не будем торопиться и пенять на неуместные вопросы. В мире, между прочим, почти все взаимосвязано. И обязательно найдется цепочка, которая протянется от одного природного объекта к другому, какими бы они ни были разными. Такую цепочку обнаружила научный сотрудник Федерального научного центра “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН кандидат биологических наук Светлана ВИНОГРАДОВА, изучая взаимодействие мха с бактериями. Комплексный анализ этих контактов проливает свет на многие загадки эволюции, дает возможность решить и некоторые практические задачи. Об исследованиях, поддержанных грантом Президента РФ, молодой ученый рассказала нашему корреспонденту.
— Мхи — древнейшие наземные растительные организмы, звено в эволюции между зелеными водорослями и цветковыми растениями, — объясняет Светлана Владимировна. — Они отделились от последнего общего с цветковыми растениями предка более 450 миллионов лет назад. Выход на сушу привел к серьезным перестройкам в геноме первых мхов: им пришлось столкнуться с засухой, ультрафиолетовым излучением, резким изменением температуры и приспособиться к новым условиям среды. Все это вызвало сильные изменения в них. А затем они словно законсервировались. Найденные ископаемые показывают, что дошедшие до нас представители мхов неизменны уже 320 миллионов лет!
Так как мхи одни из первых растительных организмов, которые вышли на сушу, то на их примере можно изучать механизмы адаптации растений к наземным условиям существования, к патогенным бактериям, грибам, вирусам.
Существует большое количество видов мхов, они находятся на втором месте по разнообразию после цветковых растений. Они легко приспосабливаются к условиям окружающей среды, поэтому распространены повсеместно, на всех континентах, даже в Антарктиде. В наземной среде способны адаптироваться к экстремальным температурам, влажности и свету, а также образовывать симбиозы с различными организмами, прежде всего с азотфиксирующими цианобактериями. Для прикладных наук мхи могут быть интересны своей засухоустойчивостью и холодостойкостью. Эти свойства используются для раскрытия молекулярных механизмов устойчивости высших растений при воздействии экстремальных факторов среды.
— Расскажите о том виде мха, который исследуете вы.
— Мох Physcomitrella patens (сокращенно — P. patens), как и другие моховидные, имеет довольно простое строение по сравнению с цветковыми растениями. Отсутствие корней и сосудистой ткани ограничивает его размер. Все части растения состоят из слоя клеток без развитой кутикулы, защищающей их от потери воды. Большинство мхов могут переносить обезвоживание, но все же предпочтительна повышенная влажность для их культивирования.
P. patens сегодня широко применяется в качестве модельного объекта исследований в биологии растений, связанных с изучением происходящих в них сложных физиологических процессов, генов их иммунной системы эволюции приспособления к стрессовым воздействиям, развития сигнальных путей устойчивости к абиотическим и биотическим стрессам. Этот мох — единственный представитель мохообразных, геном которого полностью секвенирован. Это дает возможность проводить более глубокий анализ процессов приспособления. Преимущество
P. patens еще и в том, что его можно поддерживать в культуре in vitro в контролируемых условиях и размножать вегетативно.
Следует рассказать о Physcomitrella patens как биофабрике. Для производства фармацевтических белков в основном используют клеточные культуры млекопитающих. Растительные клетки в этом отношении обладают рядом преимуществ. В частности, потому, что их патогены не могут стать причиной заболеваний животных, у которых совершенно другие патогены. Благодаря этому повышается безопасность выделения терапевтических белков из растительных клеток. Так как
P. patens достаточно хорошо изучен с точки зрения генетики, легко изменяется генетически, он считается перспективным объектом для использования в качестве биофабрики. Уже ведутся работы по синтезу в биореакторах биофармацевтических белков с использованием клеток P. patens.
— Чем еще этот вид мха привлекает вас?
— Есть одна особенность, которая делает P. patens удобным и интересным в исследованиях: для него можно легко получить мутантные линии. Это позволяет “выключать” определенные гены и изучать устойчивость к патогенам.
Исследования по взаимодействию патогенов с P. patens уже проводятся нашими коллегами из Италии и Уругвая. Недавно было обнаружено, что грибы рода Phytium
(P. patens в этом случае использовался как модельный объект), вызывающие корневые гнили многих высших растений, способны заражать мох, вызывая потемнение и разрушение тканей, образование активных форм кислорода внутри клетки.
Кроме того, выяснилось, что мох поражается грибами Botrytis cinerea (возбудитель серой гнили), грибами рода Verticillium (вызывает увядание у растений) и бактерией Pectobacetrium carotovorum (возбудитель мягкой гнили картофеля). Все они вызывают гибель мха, выделяя неспецифичные токсины, убивающие клетки до проявления реакции устойчивости. А взаимодействие мха со специализированными бактериями, которые поражают узкий круг растений и выделяют специфические токсины, никто не изучал. Мы работаем именно в этой области.
Для наших исследований мы выбрали бактерии родов Xanthomonas и Pseudomonas из-за их значимости и специализированного воздействия на клетки растений. Хanthomonas — опасные фитопатогены, паразиты зеленых частей растений. Бактерии этого рода — возбудители сосудистого бактериоза, черной гнили и листовой пятнистости капустных, вызывают болезни растений земляники, косточковых плодовых культур. Более того они поражают важные сельскохозяйственные культуры, распространенные по всему миру, что ведет к снижению урожая и ухудшению его качества. Бактерии рода Pseudomonas вызывают некрозы листьев и стеблей, корневые гнили пшеницы, ячменя, проса, гороха, фасоли и других хозяйственно ценных растений.
— Как вы готовите мох для исследований?
— Для проведения экспериментов мы выращиваем мох в стерильных условиях на питательной среде. Бактерии, с которыми работаем, также готовим сами: наращиваем на агаризованной питательной среде, готовим суспензию определенной оптической плотности, а затем используем ее для заражения мха. За мхом после заражения бактериями мы наблюдаем в течение месяца. Смотрим, какие изменения с ним происходят. В нашей коллекции есть штаммы бактерий, которые не оказывают никакого воздействия на P. patens. Другие же, напротив, патогенны для него: угнетают его рост, вызывают изменение окраски и гибель. Нам удалось обнаружить штамм Pseudomonas, который вызывает заметное пожелтение листьев мха уже на пятый день после заражения, а примерно на десятый день — полную гибель. Другой штамм Pseudomonas не вызывает гибель клеток, а лишь угнетает их рост в питательной среде. Чем отличается механизм их взаимодействия с клетками мха? Почему один вызывает гибель, а другой — нет? На эти вопросы мы пытаемся найти ответы в наших исследованиях.
Чтобы доказать, что эти бактерии патогенны и действительно проникают внутрь клеток мха, мы высеваем экстракт листьев мха, зараженного бактериями, на чашки Петри с питательной средой для бактерий. Такой посев проводится сразу после заражения мха бактериями, а затем с интервалом в два дня. В результате мы видим, что количество бактерий, вырастающих на чашках Петри, увеличивается — это подтверждает нашу гипотезу об их патогенности для мха.
Мох, зараженный патогенными штаммами бактерий Pseudomonas и Xanthomonas, мы используем для более детальных исследований. Например, изучаем, какие вещества выделяет мох в ответ на заражение бактерией. Этот анализ проводим современным методом газовой хроматографии, а затем биоинформатически обсчитываем полученные данные.
Наша работа в большей степени фундаментальная, нежели прикладная. Ее результаты будут использованы для изучения механизмов формирования и эволюции иммунитета растений. Может, наши исследования прольют немного света на вопросы происхождение паразитизма у фитопатогенных бактерий и эволюции отдельных генов, участвующих во взаимоотношениях растения и патогена. Полученные результаты можно будет использовать для повышения устойчивости хозяйственно ценных растений к фитопатогенным бактериям и, в частности, к бактериям родов Pseudomonas и Xanthomonas.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фотоснимки предоставлены С.Виноградовой
Нет комментариев