Человеческие тела используют разнообразную популяцию иммунных клеток, которые циркулируют от одного органа к другому, реагируя на различные угрозы. Однако растения не имеют такой роскоши. Поскольку растительные клетки неподвижны, каждая отдельная клетка вынуждена управлять своим иммунитетом, выполняя множество других задач, таких как преобразование солнечного света в энергию или использование этой энергии для роста. Как эти многофункциональные клетки справляются со всем этим — обнаружением угроз, их коммуникацией и эффективным реагированием — оставалось неясным.
Новые исследования ученых Института Салка (Сан Диего, Калифорния), раскрывают, как растительные клетки меняют свои роли, чтобы защитить себя от патогенов. Когда возникает угроза, клетки переходят в специализированное иммунное состояние и временно становятся клетками PRimary IMmunE Responder (PRIMER) — новой популяцией клеток, которая служит центром для инициации иммунного ответа. Исследователи также обнаружили, что клетки PRIMER окружены другой популяцией клеток, которые они называют «клетками-соседями», которые, по-видимому, важны для передачи иммунного ответа по всему растению.
Результаты, опубликованные в журнале Nature 8 января 2025 года, приближают исследователей к пониманию растительной иммунной системы — важной задачи на фоне растущих угроз антимикробной резистентности и изменения климата, которые усиливают распространение инфекционных заболеваний.
«В природе растения постоянно подвергаются атакам и требуют хорошо функционирующей иммунной системы», — говорит профессор Джозеф Эккер, старший автор исследования, председатель Международного совета по генетике Института Салка и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Но у растений нет мобильных специализированных иммунных клеток, как у нас — им необходимо разработать совершенно другую систему, где каждая клетка может реагировать на иммунные атаки, не жертвуя своими другими обязанностями. До сих пор мы не были уверены, как растения это делают.»
Растения сталкиваются с широким спектром патогенов, такими как бактерии, проникающие через поры на поверхности листьев, или грибы, которые непосредственно проникают в клетки «кожи» растения. Поскольку растительные клетки неподвижны, когда они сталкиваются с этими патогенами, они становятся единолично ответственными за реакцию и оповещение соседних клеток. Интересным побочным эффектом неподвижных клеток является то, что разные патогены могут входить в растение в разных местах и в разное время, что приводит к одновременному возникновению различных стадий иммунного ответа по всему растению.
«Открытие этих редких клеток PRIMER и их соседей — это огромный шаг в понимании того, как растительные клетки общаются, чтобы выжить перед многими внешними угрозами, с которыми они сталкиваются каждый день», — говорит первый автор Татсуя Нобори, бывший постдокторант в лаборатории Эккера и текущий руководитель группы в Лаборатории Сейнсбери в Великобритании.
Команда ввела бактериальные патогены в листья Arabidopsis thaliana — цветущего сорняка из семейства капустных, который обычно используется в исследованиях. Затем они проанализировали реакцию растения, чтобы всесторонне определить состояние каждой клетки при инфекции. В ходе этого они обнаружили новое состояние иммунной реакции, которое они назвали PRIMER, которое возникло в клетках в специфических иммунных горячих точках. Клетки PRIMER выражали новый транскрипционный фактор — тип белка, который регулирует экспрессию генов — под названием GT-3a, который, вероятно, является важной сигнализацией для предупреждения других клеток о активной иммунной реакции.
Кроме того, клетки, окружающие эти клетки PRIMER, оказались одинаково важными. Названные «клетками-соседями», клетки, находящиеся непосредственно рядом с клетками PRIMER, выражали гены, которые позволяют коммуникацию на большие расстояния. Исследователи планируют прояснить эти отношения в будущих исследованиях, но на данный момент они подозревают, что взаимодействия между клетками PRIMER и соседями являются ключевыми для распространения иммунного ответа по всему листу.
Это новое пространственно-временное, клеточно-специфическое понимание иммунного ответа растений уже доступно в качестве справочной базы данных для исследователей по всему миру. Поскольку патогены продолжают эволюционировать и распространяться на фоне изменений окружающей среды, связанных с климатом, и растущей антибиотикорезистентности, база данных предлагает важную отправную точку для сохранения будущего, полного здоровых растений и культур.