O ciupercă amenință culturile de grâu, orez și orz. Descoperirea cercetătorilor ar putea schimba lupta împotriva bolilor agricole

O ciupercă devastatoare amenință culturile de cereale și securitatea alimentară la nivel mondial, însă oamenii de știință au identificat o posibilă nouă metodă de apărare. Prin modificarea experimentală a mecanismelor naturale de imunitate ale plantelor, cercetătorii au reușit să obțină receptori capabili să recunoască mai multe molecule asociate atacurilor fungice. Descoperirea ar putea contribui, în viitor, la dezvoltarea unor soiuri de grâu, orez și orz mai rezistente la boli.

Studiul a fost realizat de o echipă internațională coordonată de specialiști de la John Innes Centre din Marea Britanie, în colaborare cu cercetători de la Universitatea Kobe din Japonia. Oamenii de știință au analizat o clasă de proteine implicate în apărarea plantelor și au demonstrat că acestea pot fi modificate pentru a detecta mai mulți agenți patogeni.

Rezultatele, publicate în revista Science Advances, deschid o posibilă direcție pentru obținerea unor culturi agricole cu mecanisme de protecție mai puternice și mai greu de depășit de ciupercile patogene.

„Am descoperit ceva care ar putea duce la o posibilă intervenție împotriva a ceea ce este cea mai gravă boală fungică a cerealelor”, a declarat profesorul Mark Banfield, coordonator al unui grup de cercetare de la John Innes Centre și unul dintre autorii studiului.

Ciuperca ce distruge recolte de orez

Cercetarea vizează Magnaporthe oryzae, ciuperca responsabilă de boala cunoscută sub numele de arsura orezului. Aceasta provoacă una dintre cele mai grave boli fungice ale culturilor de orez și reprezintă, de asemenea, o amenințare importantă pentru grâu și orz în anumite regiuni din Asia și Africa.

Pagubele sunt considerabile. În fiecare an, boala distruge o cantitate de orez suficientă pentru a hrăni aproximativ 60 de milioane de oameni. Pe măsură ce ciuperca ajunge în noi zone agricole, identificarea unor metode eficiente de protejare a culturilor devine tot mai importantă pentru securitatea alimentară.

Ciuperca atacă plantele printr-un mecanism biologic complex. Ea introduce în celulele frunzelor și tulpinilor molecule specializate, numite efectori, care perturbă funcționarea normală a plantei. Astfel, agentul patogen poate instala infecția și favoriza apariția bolii.

Plantele nu sunt însă lipsite de apărare. Acestea dispun de receptori imunitari capabili să recunoască moleculele străine și să declanșeze un răspuns de protecție. Unul dintre mecanisme presupune moartea controlată a celulelor infectate într-o zonă limitată, ceea ce poate împiedica răspândirea agentului patogen în restul plantei.

Citește și: Cum a devenit Sikkim din India primul stat complet organic din lume, fără pesticide și îngrășăminte chimice

Proteinele care ar putea întări imunitatea plantelor

Timp de peste trei decenii, cercetările privind imunitatea plantelor s-au concentrat în mare parte asupra proteinelor numite receptori NLR, prescurtare de la Nucleotide-binding and leucine-rich repeat receptors. Acestea au avut un rol esențial în înțelegerea modului în care plantele recunosc agenții patogeni și se apără de infecții.

În ultimii ani, oamenii de știință au început să studieze mai atent o altă categorie de proteine imunitare întâlnite la cereale, cunoscute sub denumirea de proteine cu kinaze în tandem, sau TKP. Deși funcționarea lor nu este încă pe deplin înțeleasă, cercetătorii cred că acestea ar putea oferi noi posibilități pentru consolidarea apărării plantelor.

Studiile anterioare au arătat că unele proteine TKP conțin o regiune specializată numită domeniu HMA, de la Heavy Metal Associated. Structuri similare se găsesc și în anumite proteine NLR, unde contribuie la recunoașterea moleculelor produse de agenții patogeni și la declanșarea răspunsului imunitar.

Această asemănare i-a determinat pe cercetători să investigheze dacă domeniile HMA ar putea fi modificate astfel încât să recunoască și alte amenințări fungice.

„Acest lucru ne-a stârnit interesul”, a explicat profesorul Mark Banfield. „Dacă putem modifica aceste domenii HMA integrate pentru a le conferi proprietăți noi, prin schimbarea aminoacizilor din zonele în care se leagă efectorii, putem obține ceea ce numim noi specificități de recunoaștere – și, potențial, o nouă primă linie de apărare a plantelor împotriva bolilor.”

Mecanismul de atac al ciupercii, țintă pentru apărare

Pentru a înțelege cum funcționează acest mecanism, echipa a analizat în detaliu interacțiunea dintre domeniile HMA și moleculele eliberate de ciuperca responsabilă de arsura orezului.

Cercetătorii au folosit metode biofizice și cristalografia, o tehnică prin care poate fi determinată structura tridimensională a moleculelor. Astfel, au obținut imagini detaliate ale modului în care receptorii imunitari ai plantelor se leagă de efectorii fungici.

Rezultatele au arătat că domeniile HMA pot funcționa ca o momeală biologică. Acestea se leagă de moleculele pe care ciuperca le folosește în timpul infecției, ajutând planta să detecteze prezența agentului patogen și să activeze mecanismele de apărare.

Pornind de la aceste informații, oamenii de știință au modificat experimental receptorii TKP astfel încât aceștia să poată recunoaște doi efectori fungici diferiți, asociați infecțiilor care afectează grâul și orzul.

Capacitatea de a identifica două ținte distincte, numită specificitate duală, este neobișnuită în cazul receptorilor imunitari naturali. Faptul că aceasta poate fi introdusă prin modificarea proteinelor sugerează că mecanismele de apărare ale culturilor ar putea fi extinse pentru a recunoaște o gamă mai largă de amenințări.

Descoperirea oferă și un punct de plecare pentru studierea altor proteine TKP identificate recent la diferite cereale. În viitor, cercetătorii ar putea proiecta receptori adaptați pentru a detecta simultan mai mulți efectori fungici, făcând plantele mai dificil de infectat.

Citește și: O rețea uriașă se ascunde sub pământ. Firele fungice din sol ar putea însuma 110 cvadrilioane de kilometri

Când ar putea ajunge descoperirea în culturile agricole

Deși rezultatele sunt promițătoare, tehnologia se află încă într-o etapă experimentală timpurie. Primele teste au fost realizate pe protoplaști, adică celule vegetale individuale folosite pentru a studia, într-un sistem simplificat, reacțiile plantelor.

Următorul pas va fi verificarea eficienței receptorilor modificați în plante întregi, cultivate în condiții controlate de seră. Cercetătorii trebuie să stabilească dacă mecanismul oferă o protecție reală și dacă aceasta se menține în condiții mai apropiate de cele întâlnite în agricultură.

„Studiul nostru arată că această nouă clasă de proteine de rezistență poate fi modificată prin inginerie genetică. Știm acum că instrumentele pe care le-am folosit anterior pentru modificarea receptorilor NLR ar putea funcționa și în cazul acestei noi clase de proteine”, a declarat doctorul Daniel Yu, primul autor al studiului.

Înțelegerea exactă a modului în care efectorii fungici se atașează de receptorii imunitari ar putea permite folosirea unor tehnologii suplimentare. Ameliorarea de precizie a plantelor și inteligența artificială ar putea ajuta la reproiectarea domeniilor HMA, astfel încât acestea să recunoască molecule ale agenților patogeni care până acum nu puteau fi detectate.

Combinarea mecanismelor de apărare ar putea crea culturi rezistente

Una dintre cele mai promițătoare direcții este combinarea mai multor tipuri de receptori imunitari în aceeași plantă. Proteinele NLR și TKP par să activeze apărarea prin mecanisme diferite, iar utilizarea lor împreună ar putea crea mai multe niveluri de protecție.

O asemenea strategie ar putea îngreuna adaptarea ciupercilor, care ar trebui să depășească simultan mecanisme de apărare distincte.

„Credem că aceste două clase de receptori imunitari, NLR și TKP, sunt probabil activate în moduri diferite”, a explicat profesorul Mark Banfield. „Acest lucru ar putea oferi o imunitate mai robustă în câmp, deoarece nu îți pui toate ouăle în același coș. În viitor, am putea folosi tehnici prin care să combinăm genele care codifică proteinele TKP și NLR împotriva aceleiași boli, obținând o cultură superrezistentă. Aceste proteine vor activa imunitatea în moduri diferite, astfel încât este probabil să fie mai dificil pentru un agent patogen să evolueze pentru a le ocoli.”

Ideea este importantă deoarece agenții patogeni pot evolua, ajungând uneori să depășească mecanismele de rezistență ale plantelor. Combinarea unor sisteme de apărare diferite ar putea reduce riscul ca o singură schimbare a ciupercii să fie suficientă pentru a compromite protecția culturii.

Schimbările climatice ar putea extinde amenințarea

Necesitatea unor metode mai eficiente de protecție devine tot mai urgentă, pe măsură ce boala continuă să amenințe culturi agricole esențiale, potrivit Science Daily.

Arsura grâului a fost identificată pentru prima dată în Brazilia, în anii 1980, iar ulterior s-a răspândit în anumite regiuni din Asia și Africa. Boala nu a fost detectată în Marea Britanie, însă schimbările climatice ar putea crea, în timp, condiții favorabile extinderii sale către nordul Europei, unde ar putea afecta producția de cereale.

Pentru fermieri, apariția bolii în noi regiuni reprezintă o provocare serioasă, mai ales pentru că grâul, orezul și orzul sunt culturi importante pentru alimentația populației.

Cercetarea coordonată de John Innes Centre arată că receptorii imunitari ai plantelor ar putea fi modificați pentru a recunoaște mai multe amenințări fungice. Totuși, vor fi necesare teste suplimentare pentru a confirma dacă mecanismul funcționează în plante întregi și dacă oferă protecție în condiții agricole reale.

Dacă rezultatele vor fi confirmate, combinarea mai multor tipuri de receptori ar putea contribui la dezvoltarea unor soiuri de cereale mai rezistente la una dintre cele mai distructive boli fungice din agricultură, cu beneficii potențiale pentru recolte și securitatea alimentară.