AMES, Iowa — Naukowcy z Iowa State University zidentyfikowali dwa geny, które mogą pomóc ryżowi bronić się przed chorobami, w tym przed niszczycielskim patogenem zarazy grzybiczej, który regularnie powoduje znaczne straty w produkcji ryżu na całym świecie.

Ponad połowa światowej populacji jest uzależniona od ryżu jako podstawowego podstawowego pożywienia. Rośliny rosnące w wilgotnych warunkach są szczególnie podatne na choroby grzybowe. Wiele mechanizmów obronnych ryżu wynika z naturalnych, roślinnych związków antybiotykowych zwanych diterpenoidami. Niedawno zidentyfikowano dużą klasę tych związków i stwierdzono, że działają one jako antybiotyki przeciwko patogenom grzybiczym.

Wydaje się, że związki te składają się z diterpenu zwanego miltiradienem. Jednakże ta substancja chemiczna nie została wyprodukowana przez żaden znany gen; wydawało się, że ryż wytwarza te antybiotyki znikąd – a nie w sposób, w jaki zwykle działa natura.

Projekt detektywistyczny z biochemii

Reuben Peters, wybitny profesor na Wydziale Biochemii, Biofizyki i Biologii Molekularnej (BBMB) Roya J. Carvera w stanie Iowa, wraz z członkami jego laboratorium, rozpoczęli detektywistyczny projekt biochemiczny, aby znaleźć brakujące ogniwo miltiradienu.

Pod przewodnictwem dwóch studentów z jego grupy laboratoryjnej, Yiling Feng, doktorantki w Międzywydziałowym Programie Biologii Roślin i Tristana Weersa, studenta drugiego roku biochemii, udało im się znaleźć przynajmniej niektóre z tych kluczowych brakujących ogniw. Zidentyfikowali dwa geny (OsKSL14 i OSKSL10) powiązane z produkcją miltiradienu w ryżu, a tym samym z odpornością na choroby.

Feng jako pierwszy znalazł OsKSL14. Gen nie został jeszcze scharakteryzowany, ale jej badania wykazały, że może być odpowiedzialny za wytwarzanie miltiradienu. OsKSL10 jest blisko spokrewniony z OsKSL14, co sugeruje, że również może być w to zaangażowany. Feng współpracował z Weersem nad sklonowaniem genów, a następnie Weers był w stanie potwierdzić, że oba geny kodują enzymy wytwarzające miltiradien i wyzwalające produkcję jego naturalnych antybiotyków.

„To sprawia, że ​​geny są niezwykle ważne” – powiedział Feng. „Pochodzę z Chin, gdzie ryż stanowi podstawową część naszej codziennej diety, więc może to być realna korzyść dla krajów takich jak mój”.

Odkrycie grupy badawczej zostało zaakceptowane do publikacji w czasopiśmie naukowym aBIOTECH, w artykule, którego Peters jest współautorem wraz z Fengiem i Weersem.

„Ta praca stanowi ważny wkład w podstawowe zrozumienie ryżu, dostarczając cennych informacji na temat ewolucji naturalnych produktów zawierających diterpenoidy ryżowe i ich funkcji” – powiedział Peters.

„To badanie oferuje nowe narzędzia, które hodowcy ryżu mogą wykorzystać w celu zwiększenia odporności i produktywności swoich odmian” – kontynuował. „Cechy, jakie mogą zapewnić te geny odporne na choroby, prawdopodobnie staną się ważniejsze, ponieważ zmiany klimatyczne wprowadzają nowe patogeny na obszary, gdzie geny nie były tak naprawdę potrzebne na początku ewolucji rośliny”.

Od odkrycia genów po możliwości badań międzynarodowych

Peters przypisuje odkrycie swoim młodym doradcom laboratoryjnym. „Wgląd i praca Yiling odegrały kluczową rolę w powodzeniu tego projektu. Tristan odegrał również ważną rolę, pomagając w ustaleniu konsekwencji naszych odkryć”.

Jednym z „najfajniejszych” aspektów tych badań dla Weersa była szansa poznania ryżu – głównej rośliny uprawnej na świecie, z którą nie miał żadnego doświadczenia. Dorastał na farmie we wschodniej Iowa i przyszedł na studia zainteresowany badaniami, zainspirowany zajęciami ścisłymi w AP i szansą pomocy w zaprojektowaniu laboratorium, które miało ich wspierać w szkole średniej Anamosa. Kiedy zaczął szukać możliwości w stanie Iowa, Claire Kruesel, specjalistka ds. obsługi studentów w BBMB, pomogła mu znaleźć drogę do Peters Lab. Rozpoczął tam pracę podczas drugiego semestru na kampusie.

„Nie przyszedłem na studia z dużym doświadczeniem badawczym” – powiedział Weers. „Wiem kilka rzeczy, na przykład do czego służy pipeta. Doktor Peters i doktoranci w laboratorium byli tak łaskawi, że mnie wspierali, a za każdym razem, gdy przychodzę do laboratorium, staram się nauczyć czegoś nowego”.

Zeszłego lata Weers został wybrany do stypendium Beitz Fellowship w celu wzięcia udziału w drugiej grupie letniego programu badawczego BBMB dotyczącego biochemii dla studentów. Brał także udział w tworzeniu nagród dla Sympozjum Naukowego Stupki. Zainspirowany wycieczką po Studenckim Centrum Innowacji na kampusie, współpracował z członkiem wydziału, aby użyć laserów i drukarki 3D do wyprodukowania nowych trofeów dla zwycięzców tegorocznej sesji plakatowej.

Opieka mentorska nad nowymi badaczami nie jest niczym nowym dla Petersa, który od czasu, gdy ponad 20 lat temu dołączył do wydziału stanu Iowa, w swoim laboratorium zatrudnia studentów studiów licencjackich i doktorantów. Dzięki kontaktom Petersa z urlopu naukowego w światowej sławy Instytucie Ekologii Chemicznej Maxa Plancka w Niemczech Weers będzie miał tam szansę doskonalić swoje umiejętności badawcze podczas lata.

„Jestem bardzo podekscytowany i szczęśliwy, że dostałem tę szansę” – powiedział Weers.

W międzyczasie zespół w Peters Lab ma pracę do wykonania. Znaleźli co najmniej pięć kolejnych niescharakteryzowanych genów ryżu i planują dalsze poszukiwania, aby sprawdzić, czy uda się odkryć ich funkcje.

Ich praca została wsparta grantami zarówno z Inicjatywy Rolniczej i Badawczej USDA, jak i Narodowych Instytutów Zdrowia.