Krompirjeva plesen (Vir slike: pixabay.com)
Datum objave: 30.03.2022
Kategorija: Interdisciplinarne raziskave, Naš prispevek k ciljem trajnostnega razvoja OZN
Cilji trajnostnega razvoja: 1 Odprava revščine, 2 Odprava lakote, 3 Zdravje in dobro počutje, 9 Industrija, inovacije in infrastruktura, 10 Zmanjšanje neenakosti, 15 Življenje na kopnem, 17 Partnerstva za doseganje ciljev (kazalniki)
Bolezni rastlin imajo lahko daljnosežne posledice na pridelek in oskrbo s hrano, a za mnoge od teh bolezni vzroki in mehanizmi delovanja še niso dobro pojasnjeni. Zato so se v študiji, nedavno objavljeni v eni prestižnejših znanstvenih revij Science Advances, raziskovalci osredotočili na družino proteinov NLP (ang. Necrosis and ethylene-inducing peptide 1-like proteins); te izločajo najrazličnejši mikroorganizmi od bakterij do gliv in oomicet, skupno pa jim je, da poškodujejo rastlinsko celično membrano ter s tem povzročajo škodo na rastlinah dvokaličnicah, kot so krompir, paradižnik, soja, tobak in kakav. Raziskava mehanizmov delovanja teh proteinov je plod sodelovanja Kemijskega inštituta in Univerze v Ljubljani ter raziskovalnih ustanov iz Velike Britanije, Japonske, Italije, Finske in Nemčije. Vodila je v odkritje edinstvenega večstopenjskega mehanizma poškodovanja membran rastlinskih celic.
Bolezni rastlin lahko povzročijo obsežno škodo na pridelkih, zaradi česar predstavljajo resno grožnjo stabilni svetovni oskrbi s hrano. Ena takšnih bolezni je na primer krompirjeva plesen, ki je med drugim povzročila hudo lakoto na Irskem v 19. stoletju in tudi v današnjem času predstavlja velik globalni problem, a je še vedno ne razumemo v celoti. Povzročitelji teh bolezni so patogeni mikrobi, kot so bakterije, glive in oomicete (glivam podobni mikroorganizmi, imenovani tudi vodne plesni), ki izločajo proteine, s katerimi poškodujejo rastline gostiteljice.
V navedeni študiji se je mednarodna skupina raziskovalcev osredotočila na proteine NLP (ang. Necrosis and ethylene-inducing peptide 1-like proteins). Ti proteini povzročajo odmiranje rastlinskega tkiva dvokaličnic in poleg krompirja prizadenejo tudi paradižnik, sojo, tobak, vinsko trto ter druge gospodarsko pomembne poljščine. Raziskovalci so analizirali interakcije med proteini NLP iz oomicete Pythium aphanidermatum, ki povzročajo zamrtje semen na raznih poljščinah, in modelnimi membranami, ki so vsebovale rastlinske lipide glikozilinozitol fosforilceramide (GIPC), nujne za vezavo proteinov NLP na membrano. Z uporabo biokemijskih in biofizikalnih metod ter računalniških simulacij so pokazali, da proteini NLP poškodujejo membrano v večstopenjskem procesu, ki vključuje začetno vezavo proteinov na lipide GIPC v membrani, površinsko agregacijo proteinov in posledično tvorbo majhnih, začasnih por v membrani (slika spodaj desno), preko katerih se iz rastlinske citoplazme sproščajo majhne molekule, ki služijo patogenom za hranila.
Slika levo: Posledice okužbe s krompirjevo plesnijo, ki jo povzročajo proteini NLP (vir: pixabay.com). Slika desno: Shematski prikaz vezave proteinov NLP (vijolične elipse) na zunanjo površino rastlinske lipidne membrane ter posledična tvorba pore v membrani (Avtor: Katja Pirc).
Prva avtorica študije dr. Katja Pirc in vodja celotne raziskovalne ekipe dr. Gregor Anderluh prihajata iz Kemijskega inštituta, od koder je tudi večina slovenskega dela skupine: Tina Snoj, Marija Srnko, dr. Jure Borišek in dr. Marjetka Podobnik. Raziskovalca dr. Mojca Mally in dr. Jure Derganc z Inštituta za biofiziko Medicinske fakultete UL sta prispevala k odkritju in razumevanju specifičnega poro-tvornega mehanizma delovanja proteina NLP z razvojem mikrofluidične metode za analizo interakcij toksinov z modelnimi membranami (sliki 1 in 2). Dr. Nada Žnidaršič z Oddelka za biologijo Biotehniške fakultete UL je s presevno elektronsko mikroskopijo analizirala liposome z vezanimi proteini NLP, kar je doprineslo k pojasnitvi interakcij proteinskih skupkov z modelno membrano (slika 3).
Slika 1 (levo): Shema mikrofluidičnega sistema, ki omogoča analizo interakcij med modelnimi membranami rastlinskih celic (označenimi z belimi krogi v opazovalni komori) in proteini NLP, ki iz glavnega kanala v komoro vstopajo z difuzijo (Avtor: Jure Derganc). Slika 2 (na sredini): Posnetki modelne celične membrane, na katero se vežejo proteini NLP (označeni z zeleno) in ki sčasoma začne prepuščati majhne molekule barvila (označene z rdečo) (Avtorja: Jure Derganc in Mojca Mally). Slika 3 (desno): Analiza ultrastrukturne organizacije proteinskih skupkov na modelnih membranah v laboratoriju za presevno elektronsko mikroskopijo (Avtorica: Nada Žnidaršič).
Odkriti mehanizem za poškodovanje rastlinske celice se razlikuje od poznanih mehanizmov delovanja porotvornih proteinov bakterij, žuželk ali vretenčarjev, ki poškodujejo živalske celice in temeljijo na proteinskih tvorbah z urejeno trans-membransko strukturo. Glede na razširjenost proteinov NLP je poznavanje mehanizmov njihovega delovanja ključno za razvoj strategij za zaščito rastlin brez povzročanja škode drugim organizmom.