Обман побеждает конкуренцию для паразитических растений Cuscuta
Растениям приходится конкурировать друг с другом за доступ к таким ресурсам, как вода, питательные вещества и свет, которые позволяют им расти и размножаться. Конкуренция за эти ресурсы происходит как над, так и под почвой. Корни растений поглощают воду и питательные вещества из почвы и физически закрепляют растение, чтобы оно могло расти в высоту. Затем растение должно попытаться обогнать других конкурентов, чтобы получить лучший доступ к солнечному свету, который оно использует для получения энергии в процессе фотосинтеза. Вместо того чтобы конкурировать честно, некоторые растения крадут эти ресурсы у других растений. Растения, которые обманывают таким образом, называются паразитами. Многие растения-паразиты стали настолько искусными мошенниками, что не тратят время и энергию на развитие собственных корней и листьев, а также на использование фотосинтеза для получения собственной энергии. Растения-паразиты Cuscuta широко известны как "повилики". Ученые пытаются лучше понять этих паразитов и разработать новые способы предотвратить их кражу у других растений, которые нужны нам для пищи или волокна.
Жизнь профессионального мошенника
Поиск растения-хозяина
Паразиты Cuscuta прорастают из семян, как и многие другие растения. У них вырастает очень маленький корень, который помогает им удерживаться на земле, пока побег растет в поисках близлежащего растения-хозяина. Чтобы найти хозяина, проросток паразита использует ряд органов чувств, включая обоняние, зрение и осязание [ 1 ]. Хотя у паразита нет носа, как у нас, у него есть специализированные белки внутри растущего побега, которые он использует для определения и реакции на запахи подходящего растения-хозяина. Когда паразит распознает привлекательный запах, он направляет свой рост к источнику этого запаха [ 2 ].
По мере приближения паразитического проростка к растению-хозяину он будет испытывать эффект затенения, когда листья растения-хозяина блокируют солнечный свет. Хотя у растения-паразита нет глаз, у него есть специализированные белки, называемые фитохромами, которые позволяют растению "видеть" различные типы света и определять, находится ли оно на полном солнечном свете или в тени [ 3 ]. Это помогает паразиту подготовиться к контакту с хозяином и вторжению в его организм.
Наконец, паразит вступает в контакт с растением-хозяином и испытывает "прикосновение". Многие растения реагируют на прикосновение. Однако для большинства растений прикосновение ассоциируется с опасностью. Прикосновение может означать для растения, что на его листья садятся насекомые и пытаются их съесть. В этом случае растения используют прикосновение, чтобы остановить рост и потратить свои ценные энергетические ресурсы на защиту. Эти растения вырабатывают ряд токсичных химических веществ, которые не дают насекомым питаться ими. Некоторые растения также используют прикосновение, чтобы вызвать укрепление клеточных стенок листьев, что затрудняет поедание насекомыми. Для паразитов Cuscuta прикосновение - это положительный стимул, сообщающий паразиту, что он вступил в контакт с потенциальным растением-хозяином. В ответ на прикосновение паразит использует сложную реакцию, называемую тигмоморфогенезом (произносится как "тиг-мор-фо-генезис"), чтобы изменить модель своего роста и закрутиться вокруг стебля растения-хозяина (рис. 1).
Вторжение в растение-хозяин
Когда паразит Cuscuta находит растение-хозяина и вступает с ним в контакт, он выделяет биологический клей, который прочно удерживает его на стебле растения-хозяина. Затем он формирует специальную инвазионную структуру, называемую гаусториум (произносится как "гау-стоур-и-у-м"). Из хаусториума вырастают новые побеги, которые механически вторгаются в стебель растения-хозяина с помощью различных белков, которые он выделяет для разрушения и деградации клеточных стенок растения-хозяина (рис. 2). Когда гаустория успешно проникнет в стебель растения-хозяина, она начнет искать клетки, которые растения используют для транспортировки воды и питательных веществ, называемые клетками ксилемы (произносится "зи-лем") и флоэмы (произносится "фло-эм"). Гаусторий паразита прикрепляется к клеткам ксилемы и флоэмы и извлекает воду и питательные вещества для обеспечения роста паразита, цветения и производства семян. Такое взаимодействие выгодно паразиту, но вредно растению-хозяину, которое в результате жизнедеятельности паразита будет меньше расти и производить меньше семян.
После того как паразит внедрился в растение-хозяин, он начинает отращивать новые побеги. Эти вторичные побеги будут пытаться установить дополнительные связи с тем же растением-хозяином или другими близлежащими растениями. Больше мест вторжения означает больше пищи для паразита и меньше шансов на неудачу. Мы предполагаем, что паразит использует многие из тех же органов чувств, чтобы установить дополнительные связи с хозяином; однако он также попытается вторгнуться в нехозяинные объекты, например бамбуковые трости, которые не дают ему никакой пищи. Мы не очень понимаем, почему так происходит, но, возможно, дело в том, что, захватив растение-хозяина, проросток считает, что любой другой сенсорный стимул представляет собой то же самое растение или соседнее растение-хозяина.
Подчинение и компенсация растения-хозяина
Когда паразитическое растение Cuscuta вторгается в растение-хозяин, паразит и хозяин начинают бороться друг с другом за контроль. Растение-хозяин будет пытаться предотвратить вторжение паразита, укрепляя свои клеточные стенки и выделяя токсичные соединения. Если ни одна из этих стратегий не сработает, растение-хозяин попытается убить клетки вокруг паразита в процессе, который называется апоптоз (произносится как "а-поп-то-ис"). Паразиты Cuscuta, как и многие другие паразиты, являются биотрофами, то есть они могут воровать ресурсы только у живых клеток хозяина. Если растение-хозяин уничтожит клетки вокруг гаустория паразита, паразит не сможет похищать ресурсы хозяина. В то же время паразит будет выделять ряд химических веществ и молекул, которые будут манипулировать хозяином и не позволят ему организовать нормальную защитную реакцию против паразита [ 4 ].
Хотя паразиты по своей природе "эгоистичны" в своих действиях, при определенных обстоятельствах паразиты Cuscuta будут помогать защищать свои растения-хозяева - командная работа делает мечту реальностью! Если паразит Cuscuta заселил два разных растения и одно из них повреждается насекомыми-вредителями, паразит сообщит об этом другому растению-хозяину и поможет ему защититься от насекомых [ 5 ]. Это, безусловно, выгодно растению-хозяину, но выгодно и паразиту, поскольку ему не приходится конкурировать с насекомыми-вредителями за те же ограниченные ресурсы хозяина.
Проблема с Cuscuta .
Негативное воздействие паразитов Cuscuta
Похищая воду и питательные вещества, паразиты Cuscuta могут снижать урожайность культурных растений, из которых мы получаем продукты питания и другие материалы (рис. 3). По мере роста населения планеты нам необходимо найти способы выращивать больше продовольствия на меньших площадях - эту проблему мы называем устойчивой интенсификацией сельского хозяйства. Предотвращение паразитизма на сельскохозяйственных культурах - один из подходов к достижению этой цели - выращивать больше еды, но нам нужно знать гораздо больше о биологии этих паразитов, чтобы эффективно их остановить.
Недавно ученые секвенировали геном двух видов Cuscuta [ 6, 7], что поможет нам понять, как именно эти паразиты находят, вторгаются в растения-хозяева и манипулируют ими. Используя различные методы исследования, мы сможем разработать новые способы предотвращения потери урожая сельскохозяйственных культур из-за этих паразитов, что поможет повысить глобальную продовольственную безопасность.
Заключение
Паразиты Cuscuta - профессиональные мошенники, они крадут питательные вещества и воду у других растений. Это снижает качество и урожайность важных культур и усложняет задачу прокормить планету. Хотя мы начинаем понимать, как эти паразиты находят растения-хозяева и манипулируют ими, мы еще многого не понимаем. Теперь, когда геном нескольких паразитов Cuscuta был секвенирован, это поможет нам разработать новые способы вмешательства в их биологию и предотвратить потери урожая.
