محققان راهی امیدوارکننده برای مهندسی محصولات کشاورزی فوق‌العاده مقاوم در برابر یک قارچ ویرانگر که امنیت غذایی جهانی را تهدید می‌کند، کشف کرده‌اند. به گفته‌ی آن‌ها، با مهندسی دفاع‌های طبیعی گیاهان، می‌توانند رویکردی تجربی را توسعه دهند که به گندم، برنج و جو کمک می‌کند تا به طور موثرتری در برابر عفونت‌های قارچی مقاومت کنند.
تیم تحقیقاتی بین‌المللی، به رهبری محققان مرکز جان اینز در بریتانیا، به بررسی گروهی از گیرنده‌های ایمنی گیاهی که اخیراً کشف شده‌اند، پرداختند. آن‌ها نشان دادند که چگونه این پروتئین‌ها عوامل بیماری‌زا را شناسایی می‌کنند و می‌توانند برای تشخیص چندین تهدید قارچی به طور همزمان تغییر داده شوند. این یافته‌ها می‌تواند درهای جدیدی را برای توسعه محصولاتی با مقاومت قوی‌تر و پایدارتر در برابر بیماری‌ها بگشاید.
پروفسور مارک بنفیلد، رهبر گروه تحقیقاتی در مرکز جان اینز و یکی از نویسندگان این مطالعه که با همکارانش در دانشگاه کوبه ژاپن انجام شده، گفت: «ما چیزی کشف کرده‌ایم که می‌تواند به مداخله در بدترین بیماری قارچی غلات منجر شود.»
یک قارچ ویرانگر امنیت غذایی جهانی را تهدید می‌کند
هدف این تحقیق، Magnaporthe oryzae است، قارچی که مسئول بیماری بلاست است. این بیماری جدی‌ترین بیماری قارچی بر روی برنج کشت‌شده است و همچنین به یک تهدید بزرگ برای گندم و جو در برخی مناطق آسیا و آفریقا تبدیل شده است.
میزان خسارت بسیار زیاد است. هر سال، بلاست برنج به اندازه‌ای برنج را از بین می‌برد که می‌تواند حدود 60 میلیون نفر را تغذیه کند. با گسترش این قارچ به مناطق کشاورزی بیشتر، یافتن راه‌های موثر برای محافظت از محصولات برای امنیت غذایی جهانی اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است.
این قارچ از طریق یک استراتژی بیولوژیکی پیچیده به گیاهان حمله می‌کند. این قارچ مولکول‌های تخصصی به نام افکتورها را به سلول‌های برگ‌ها و ساقه‌ها وارد می‌کند. این مولکول‌ها با عملکردهای طبیعی گیاه تداخل می‌کنند و به عامل بیماری‌زا اجازه می‌دهند تا عفونت را ایجاد کند و بیماری را پیشرفت دهد.
با این حال، گیاهان تکامل یافته‌اند و سیستم‌های دفاعی خود را دارند. گیرنده‌های ایمنی تخصصی می‌توانند این مولکول‌های خارجی را شناسایی کنند و یک پاسخ محافظتی را فعال کنند. یکی از مکانیسم‌های مهم شامل از بین بردن سلول‌های آلوده در یک ناحیه کنترل‌شده و محلی است که به جلوگیری از گسترش بیشتر عامل بیماری‌زا در سراسر گیاه کمک می‌کند.
محققان دفاع ایمنی پنهان گیاهان را کشف می‌کنند
بیش از سه دهه است که بسیاری از تحقیقات در مورد ایمنی گیاهی بر روی پروتئین‌هایی به نام گیرنده‌های اتصال نوکلئوتید و غنی از لوسین (NLR) متمرکز بوده است. این گیرنده‌ها نقش مهمی در درک چگونگی شناسایی و دفاع گیاهان در برابر بیماری بلاست و سایر عفونت‌ها داشته‌اند.
به تازگی، دانشمندان شروع به بررسی گروه دیگری از پروتئین‌های ایمنی موجود در غلات به نام پروتئین‌های کیناز تندم (TKP) کرده‌اند. اگرچه محققان هنوز در حال یادگیری نحوه عملکرد این گیرنده‌ها هستند، اما به نظر می‌رسد که فرصت‌های بیشتری را برای تقویت دفاع گیاهی ارائه می‌دهند.
مطالعات قبلی نشان داده‌اند که برخی از TKPها حاوی ناحیه تخصصی به نام دامنه مرتبط با فلز سنگین (HMA) هستند. مناطق مشابه نیز در برخی از گیرنده‌های NLR یافت می‌شوند، جایی که به شناسایی افکتورهای پاتوژن و شروع پاسخ‌های ایمنی کمک می‌کنند.
این ویژگی مشترک توجه بنفیلد و همکارانش را به خود جلب کرد، زیرا نشان می‌داد که دانشمندان ممکن است بتوانند گیرنده‌ها را دوباره طراحی کنند تا تهدیدات قارچی بیشتری را شناسایی کنند.
پروفسور بنفیلد گفت: «این موضوع ما را به وجد آورد. اگر بتوانیم این دامنه‌های HMA یکپارچه را با ایجاد تغییرات پروتئینی اسید آمینه‌ای که افکتورها به آن متصل می‌شوند، برای خواص جدید مهندسی کنیم، می‌توانیم تخصص‌های شناسایی جدیدی به دست آوریم - و به طور بالقوه خط مقدم جدیدی برای دفاع از گیاهان در برابر بیماری‌ها.»
تبدیل مولکول‌های حمله قارچی به اهداف
در این مطالعه که در Science Advances منتشر شده است، محققان به طور دقیق بررسی کردند که چگونه دامنه‌های HMA با مولکول‌های آزاد شده توسط قارچ بلاست تعامل دارند.
با استفاده از تکنیک‌های زیست‌فیزیکی و کریستالوگرافی، روشی که به دانشمندان اجازه می‌دهد ساختار سه‌بعدی دقیق مولکول‌ها را تعیین کنند، تیم نحوه اتصال این گیرنده‌های گیاهی به افکتورهای قارچی را با وضوح بالا به دست آورد.
نتایج نشان داد که دامنه‌های HMA می‌توانند به عنوان طعمه بیولوژیکی عمل کنند. با اتصال به مولکول‌هایی که قارچ در طول عفونت از آن‌ها استفاده می‌کند، این مناطق به گیاهان کمک می‌کنند تا حضور یک عامل بیماری‌زا را شناسایی کنند و دفاع خود را فعال کنند.
با مسلح شدن به این اطلاعات ساختاری، محققان گیرنده‌های ایمنی TKP را تغییر دادند تا بتوانند دو افکتور قارچی مرتبط با عفونت در گندم و جو را شناسایی کنند.
این توانایی در تشخیص چندین هدف، که به عنوان دوگانگی شناخته می‌شود، در گیرنده‌های ایمنی طبیعی غیرمعمول است. نشان دادن اینکه این قابلیت می‌تواند از طریق مهندسی پروتئین معرفی شود، نشان‌دهنده یک راه امیدوارکننده برای گسترش دامنه تهدیداتی است که سیستم‌های ایمنی محصولات کشاورزی می‌توانند آن‌ها را تشخیص دهند.
این یافته‌ها همچنین مبنایی برای بررسی TKPهای دیگر که اخیراً در غلات مختلف شناسایی شده‌اند، فراهم می‌کند. دانشمندان ممکن است در نهایت بتوانند گیرنده‌های ایمنی سفارشی را طراحی کنند که چندین افکتور قارچی را به طور همزمان شناسایی کنند و به طور بالقوه گیاهان را برای عفونت دشوارتر کنند.
مهندسی محصولاتی با مقاومت قوی‌تر در برابر بیماری‌ها
اگرچه این یافته‌ها امیدوارکننده است، اما این فناوری هنوز در مراحل اولیه تجربی خود قرار دارد.
محققان آزمایش‌های اولیه خود را با پروتوپلاست‌ها، سلول‌های گندم منفرد که به عنوان یک مدل ساده‌شده برای مطالعه نحوه پاسخ بافت‌های گیاهی به آن‌ها انجام دادند. مرحله بعدی این است که تعیین شود آیا گیرنده‌های مهندسی‌شده می‌توانند محافظت موثری را در گیاهان کامل که در شرایط کنترل‌شده گلخانه‌ای رشد می‌کنند، فراهم کنند یا خیر.
دکتر دنیل یو، نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: «مطالعه ما نشان می‌دهد که این کلاس جدید از پروتئین‌های مقاومت برای اهداف مهندسی مناسب است. اکنون می‌دانیم که ابزارهای قبلی که برای مهندسی گیرنده‌های NLR استفاده می‌کردیم ممکن است با این کلاس جدید نیز کار کند.»
درک دقیق نحوه اتصال افکتورهای قارچی به گیرنده‌های ایمنی گیاهی همچنین می‌تواند به محققان کمک کند تا از فناوری‌های دیگر استفاده کنند. پرورش دقیق و هوش مصنوعی ممکن است راه‌های بیشتری را برای بازطراحی دامنه‌های HMA فراهم کند و به آن‌ها اجازه دهد مولکول‌هایی را که قبلاً شناسایی نشده بودند، تشخیص دهند.
یک احتمال امیدوارکننده به ویژه شامل ترکیب انواع مختلف گیرنده‌های ایمنی در یک محصول است.
از آنجایی که به نظر می‌رسد NLRها و TKPها دفاع گیاهی را از طریق مکانیسم‌های مختلف فعال می‌کنند، استفاده از آن‌ها با هم می‌تواند چندین لایه محافظت ایجاد کند. این ممکن است برای قارچ‌ها دشوارتر شود تا راه‌هایی برای دور زدن سیستم ایمنی گیاه پیدا کنند.
پروفسور بنفیلد افزود: «ما فکر می‌کنیم که این دو کلاس گیرنده ایمنی، NLRها و TKPها، احتمالاً به روش‌های مختلف فعال می‌شوند. این امر می‌تواند ایمنی قوی‌تری را در مزارع فراهم کند، زیرا تمام تخم‌مرغ‌های خود را در یک سبد قرار نمی‌دهید. در آینده، ممکن است بتوانیم از تکنیک‌هایی برای ترکیب ژن‌های رمزگذاری‌کننده TKP و NLR با هم در برابر یک بیماری استفاده کنیم و یک محصول فوق‌العاده مقاوم ایجاد کنیم. آن‌ها روش‌های مختلفی برای فعال کردن ایمنی خواهند داشت، بنابراین احتمالاً برای یک عامل بیماری‌زا برای فرار از آن دشوارتر خواهد بود.»
تهدید فزاینده برای گندم، برنج و جو
نیاز به محافظت بهتر با گسترش بیماری بلاست به محصولات غذایی اصلی بیشتر می‌شود.
بلاست گندم برای اولین بار در دهه 1980 در برزیل شناسایی شد و از آن زمان به مناطق آسیا و آفریقا گسترش یافته است. اگرچه این بیماری در بریتانیا شناسایی نشده است، اما تغییرات آب‌وهوایی ممکن است در نهایت شرایطی را ایجاد کند که تهدید آن به تولید غلات در شمال اروپا را نیز ایجاد کند.
برای کشاورزان، ظهور بیماری بلاست در مناطق جدید یک چالش جدی است، به ویژه از آنجایی که این بیماری می‌تواند محصولاتی را تهدید کند که برای تغذیه جمعیت‌های بزرگ ضروری هستند.
با آشکار کردن چگونگی طراحی گیرنده‌های ایمنی گیاهی که قبلاً کمتر مورد بررسی قرار گرفته‌اند، برای شناسایی چندین تهدید قارچی، محققان یک استراتژی جدید برای محافظت از برداشت‌های آینده شناسایی کرده‌اند.
آزمایش‌های بیشتری برای تعیین اینکه آیا این دفاع‌های اصلاح‌شده به طور موثر در گیاهان کامل و در شرایط کشاورزی کار می‌کنند، ضروری است. در صورت موفقیت، ترکیب گیرنده‌های ایمنی مختلف می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا محصولاتی با محافظت قوی‌تر در برابر یکی از مخرب‌ترین بیماری‌های قارچی در کشاورزی ایجاد کنند.