Исследовательская группа под руководством Гитты Кокер из Калифорнийского университета в Дэвисе совместно с экспертами в области биоинформатики сделала важный шаг на пути усиления естественной защиты растений от опасных бактериальных инфекций, таких как Ralstonia solanacearum. Применяя современные методы искусственного интеллекта, в том числе перспективный инструмент AlphaFold, ученые стремятся раскрыть новые горизонты для защиты сельскохозяйственных культур – томатов, картофеля и многих других – от широко распространенных и опасных заболеваний.
Иммунная система растений: ключ к выживанию
Растительный иммунитет устроен сложно и во многом схож с иммунитетом животных. Основными "стражами" на клеточном уровне выступают особые белковые рецепторы, которые способны распознавать вторжение бактерий и запускать защитные механизмы. Одним из хорошо изученных рецепторов является FLS2. Он воспринимает флагеллин – специфический белок в жгутиках бактерий, используемый ими для передвижения. Однако патогены непрерывно приспосабливаются: мутации во флагеллине могут позволять им уйти от иммунного надзора растения.
Тактика патогенов и новая стратегия ученых
По словам профессора Кокер, между растениями и патогенными бактериями разгорается настоящая эволюционная гонка вооружений. Бактерии постоянно мутируют, чтобы "ускользнуть" от иммунной системы растения, меняя ключевые аминокислоты своих белков. Чтобы дать растениям преимущество, команда ученых пошла по инновационному пути: они применили потенциал AlphaFold для точного моделирования трехмерной структуры белков и анализа возможностей их совершенствования.
Ученые проанализировали различные варианты иммунных рецепторов, изначально присутствующих в природе у определенных представителей флоры. Они выяснили, какие из этих рецепторов обладают наибольшей эффективностью в отношении широкого круга бактерий. Сравнивая их с более "узкими" аналогами, команда смогла выделить конкретные участки, нуждающиеся в целенаправленных изменениях аминокислот.
Реинжиниринг FLS2 — шаг к универсальному растительному иммунитету
Особое внимание исследователей было направлено на рецепторы, которые в природе позволяют некоторым видам распознавать и отражать атаку самых разных патогенов. Используя предсказания AlphaFold о структуре белков и данные молекулярной эволюции, ученые модифицировали FLS2 так, чтобы тот стал эффективнее "узнавать" изменчивых бактериальных злоумышленников. Такой целевой реинжиниринг позволяет возвращать утерянные рецепторные функции и создавать новые варианты иммунных белков, способных обнаруживать даже те штаммы бактерий, которые ранее обходили защиту растений стороной.
Самым проблемным объектом стал опасный патоген Ralstonia solanacearum. Этот микроб, обитающий в почве, способен поражать более двухсот видов культурных растений, вызывая бактериальное увядание и угрожая глобальным сельскохозяйственным системам. Усиление растениеводческого иммунитета против Ralstonia solanacearum способно значительно снизить экономический ущерб, причиняемый этой бактерией ежегодно во всем мире.
Внедрение машинного обучения — основа для селекции будущего
Сейчас лаборатория Гитты Кокер активно развивает инструменты, основанные на машинном обучении, которые позволяют прогнозировать перспективные мишени для будущих модификаций иммунных рецепторов. Их алгоритмы выявляют те аминокислоты рецепторов, которые при замене способны принципиально расширить диапазон бактериального распознавания. Ограничивая список лишь наиболее значимых изменений, ученые планируют добиться быстрой, точной и безопасной адаптации иммунитета сельскохозяйственных растений к постоянно эволюционирующим угрозам.
В перспективе эта стратегия сулит создание целого ряда новых устойчивых сортов, защищённых от наиболее опасных бактериальных заболеваний. Параллельно разрабатываются сопровождающие исследования по улучшению других иммунных рецепторов, что обещает сделать растительный иммунитет ещё более гибким и эффективным.
Будущее — за биотехнологиями и инновациями
Успехи исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе распространились далеко за пределы научного сообщества. Полученные результаты дарят оптимизм не только аграриям, но и всему обществу, ведь они открывают путь к выращиванию более здоровых, устойчивых к болезням культур, обеспечивая стабильность продовольственной безопасности. Внедрение искусственного интеллекта и биоинженерии в агротехнологии становится новым стандартом в борьбе с глобальными вызовами XXI века. Гитта Кокер и её команда уверенно закладывают прочный фундамент для урожайного и устойчивого будущего человечества.
