Magnaporthe oryzae: Ο μύκητας που απειλεί την παγκόσμια παραγωγή τροφίμων - Αγώνας δρόμου από επιστήμονες για τείχος ανοσίας

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το John Innes Centre στο Ηνωμένο Βασίλειο, σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Πανεπιστήμιο του Κόμπε στην Ιαπωνία, ανακάλυψε μια πειραματική μέθοδο γενετικής ενίσχυσης της ανοσίας των φυτών απέναντι στον καταστροφικό μύκητα Magnaporthe oryzae.

Το παθογόνο αυτό ευθύνεται για τη λεγόμενη ασθένεια της έκρηξης (blast disease), η οποία αποτελεί τον σοβαρότερο μυκητιακό κίνδυνο για τις καλλιέργειες ρυζιού, ενώ παράλληλα επεκτείνεται ραγδαία στο σιτάρι και το κριθάρι. Η ζημιά που προκαλείται σε ετήσια βάση είναι σαρωτική, καθώς η απώλεια σοδειάς ρυζιού από τη συγκεκριμένη νόσο ισοδυναμεί με την ποσότητα τροφής που απαιτείται για τη σίτιση 60 εκατομμυρίων ανθρώπων.

Το παθογόνο δρα εισάγοντας εξειδικευμένα μόρια, γνωστά ως τελεστές (effectors), απευθείας στα κύτταρα των φύλλων και των στελεχών. Τα μόρια αυτά παραλύουν τις φυσιολογικές λειτουργίες του φυτού, επιτρέποντας στον μύκητα να εξαπλωθεί. Τα φυτά, ωστόσο, διαθέτουν δικούς τους υποδοχείς που εντοπίζουν τους εισβολείς και συχνά ενεργοποιούν έναν ελεγχόμενο, τοπικό κυτταρικό θάνατο για να μπλοκάρουν τη λοίμωξη. Για δεκαετίες, η επιστημονική προσοχή ήταν στραμμένη σχεδόν αποκλειστικά στους υποδοχείς NLR (Nucleotide-binding and leucine-rich receptors). Η νέα έρευνα, τα συμπεράσματα της οποίας δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science Advances, στράφηκε σε μια διαφορετική κατηγορία πρωτεϊνών των δημητριακών, γνωστών ως πρωτεΐνες διαδοχικής κινάσης (tandem kinase proteins ή TKP).

Η βιολογική παγίδα και η διπλή εξειδίκευση

Οι πρωτεΐνες TKP φέρουν μια εξειδικευμένη περιοχή που ονομάζεται τομέας HMA (Heavy Metal Associated), ένα δομικό χαρακτηριστικό που εντοπίζεται επίσης σε ορισμένους υποδοχείς NLR και λειτουργεί ως βιολογικό δόλωμα για τους τελεστές του μύκητα. Χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία και βιοφυσικές τεχνικές, οι επιστήμονες χαρτογράφησαν με υψηλή ανάλυση την τρισδιάστατη δομή του τρόπου με τον οποίο τα φυτικά μόρια προσδένονται στους μυκητιακούς τελεστές.

Αυτή η λεπτομερής απεικόνιση επέτρεψε στους ερευνητές να επέμβουν στοχευμένα. Αλλάζοντας συγκεκριμένα αμινοξέα στις θέσεις πρόσδεσης, επανασχεδίασαν τους υποδοχείς TKP ώστε να αναγνωρίζουν ταυτόχρονα δύο διαφορετικούς τελεστές του μύκητα που συνδέονται με λοιμώξεις σε σιτάρι και κριθάρι. Αυτή η διπλή εξειδίκευση (dual specificity) σπανίζει στη φύση. Η απόδειξη ότι μπορεί να παραχθεί μέσω πρωτεϊνικής μηχανικής ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία προσαρμοσμένων υποδοχέων που θα ανιχνεύουν πολλαπλές μεταλλάξεις ταυτόχρονα.

Προς μια πολυεπίπεδη ανοσία στα δημητριακά

Σύμφωνα με τον καθηγητή Mark Banfield, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο John Innes Centre, η στρατηγική αυτή προσφέρει μια εντελώς νέα γραμμή άμυνας για τα σιτηρά. Οι αρχικές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε πρωτοπλάστες, δηλαδή μεμονωμένα κύτταρα σιταριού, ενώ ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Dr. Daniel Yu, υπογράμμισε ότι τα εργαλεία μηχανικής που είχαν αναπτυχθεί για τους υποδοχείς NLR αποδείχθηκαν άμεσα εφαρμόσιμα και στη νέα κατηγορία ανθεκτικών πρωτεϊνών.

Η επόμενη φάση περιλαμβάνει πειράματα σε ολόκληρα φυτά μέσα σε ελεγχόμενα θερμοκήπια, με απώτερο σκοπό τη συνδυαστική εισαγωγή γονιδίων (gene stacking). Επειδή οι υποδοχείς NLR και οι πρωτεΐνες TKP φαίνεται να ενεργοποιούν την άμυνα μέσω διαφορετικών βιολογικών μηχανισμών, η ταυτόχρονη ενσωμάτωσή τους στο ίδιο φυτό μπορεί να δημιουργήσει υπερανθεκτικές καλλιέργειες με πολλαπλά στρώματα προστασίας, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολο για το παθογόνο να διαφύγει εξελικτικά.

Η ανάγκη για τέτοιες παρεμβάσεις γίνεται πιεστική. Η ασθένεια της έκρηξης του σιταριού πρωτοεμφανίστηκε στη Βραζιλία τη δεκαετία του 1980 και έκτοτε έχει επεκταθεί σε περιοχές της Ασίας και της Αφρικής. Παρά το γεγονός ότι δεν έχει καταγραφεί ακόμη στο Ηνωμένο Βασίλειο, η κλιματική αλλαγή διαμορφώνει περιβαλλοντικές συνθήκες που στο μέλλον θα μπορούσαν να ευνοήσουν την εγκατάσταση του μύκητα στη βόρεια Ευρώπη, απειλώντας καλλιέργειες θεμελιώδεις για την παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια.