Человеческие тела защищают себя, используя разнообразную популяцию иммунных клеток, которые циркулируют от одного органа к другому, реагируя на все: от порезов до простуды и рака. Но у растений нет такой роскоши.
Поскольку растительные клетки неподвижны, каждая отдельная клетка вынуждена управлять собственным иммунитетом в дополнение к своим многочисленным другим обязанностям, таким как превращение солнечного света в энергию или использование этой энергии для роста. Как эти многозадачные клетки справляются со всем этим — обнаруживают угрозы, сообщают об этих угрозах и эффективно реагируют — остается неясным.
Исследования ученых Института Солка показывают, как растительные клетки меняют роли, чтобы защитить себя от патогенов. При столкновении с угрозой клетки входят в специализированное иммунное состояние и временно становятся клетками PRimary IMmunE Responder (PRIMER) — новой популяцией клеток, которая действует как центр для инициирования иммунного ответа.
Исследователи также обнаружили, что клетки PRIMER окружены другой популяцией клеток, которые они называют клетками-свидетелями, и которые, по-видимому, играют важную роль в передаче иммунного ответа по всему растению.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, приближают исследователей к пониманию иммунной системы растений — все более важной задачи на фоне растущих угроз устойчивости к противомикробным препаратам и изменения климата, которые способствуют распространению инфекционных заболеваний.
«В природе растения постоянно подвергаются нападениям и нуждаются в хорошо функционирующей иммунной системе», — говорит соавтор исследования профессор Джозеф Экер. «Но у растений нет мобильных, специализированных иммунных клеток, как у нас, — им приходится вырабатывать совершенно иную систему, в которой каждая клетка может реагировать на иммунные атаки, не жертвуя своими другими обязанностями. До сих пор мы не были уверены, как растениям это удается».
Растения сталкиваются с широким спектром патогенов, таких как бактерии, проникающие через поры на поверхности листьев, или грибы, которые напрямую вторгаются в клетки «кожи» растений. Поскольку растительные клетки неподвижны, при столкновении с любым из этих патогенов они становятся единственно ответственными за реагирование и оповещение соседних клеток.
Еще одним интересным побочным эффектом неподвижных клеток является тот факт, что различные патогены могут проникать в растение в разных местах и в разное время, что приводит к различным стадиям иммунного ответа, происходящим одновременно по всему растению.
При таких факторах, как время, местоположение, состояние реакции и т. д., инфицированное растение — сложный для понимания организм. Чтобы справиться с этим, команда Солка обратилась к двум сложным методам профилирования клеток, называемым мультиомикой отдельных клеток с временным разрешением и пространственной транскриптомикой. Объединив эти два метода, команда смогла зафиксировать иммунный ответ растения в каждой клетке с беспрецедентным пространственно-временным разрешением.
«Открытие этих редких клеток PRIMER и окружающих их клеток-свидетелей — это огромное открытие в области того, как клетки растений взаимодействуют, чтобы выжить в условиях многочисленных внешних угроз, с которыми они сталкиваются ежедневно», — говорит соавтор Тацуя Нобори.
Команда ввела бактериальные патогены в листья Arabidopsis thaliana — цветущего сорняка из семейства горчичных, обычно используемого в качестве модели в исследованиях. Затем они проанализировали реакцию растения, чтобы всесторонне определить состояние каждой клетки при инфицировании. При этом они обнаружили новое состояние иммунного ответа, которое они назвали PRIMER, которое возникало в клетках в определенных иммунных горячих точках.
Клетки PRIMER экспрессировали новый фактор транскрипции (тип белка, регулирующего экспрессию генов), называемый GT-3a, который, вероятно, является важным сигналом тревоги для оповещения других клеток об активном иммунном ответе растения.
Кроме того, клетки, окружающие эти клетки PRIMER, оказались не менее важными. Названные «клетками-свидетелями», клетки, непосредственно соседствующие с клетками PRIMER, экспрессировали гены, которые обеспечивают дальнюю межклеточную коммуникацию.
Ученые планируют прояснить эту связь в будущих исследованиях, но на данный момент они подозревают, что взаимодействие между PRIMER и клетками-свидетелями является ключевым фактором в распространении иммунного ответа по 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 развиваться и распространяться на фоне климатических изменений окружающей среды и растущей устойчивости к антибиотикам, база данных предлагает важный трамплин для сохранения будущего, наполненного здоровыми растениями и культурами.
«В наши дни наблюдается большой интерес и спрос на подробные атласы клеток, поэтому мы рады создать новый атлас, который будет доступен другим исследователям», — говорит Экер. «Наш атлас может привести ко многим новым открытиям о том, как отдельные клетки растений реагируют на стрессовые факторы окружающей среды, что будет иметь решающее значение для создания более устойчивых к изменению климата культур».
