벼 작물을 보호하기 위한 새로운 살균제로 이어질 수 있는 발견

[아름이]

벼 작물을 보호하기 위한 새로운 살균제로 이어질 수 있는 발견
벼 도열병이 잎에 들어가는 방식은 살포 화학 차단제에 취약합니다.
날짜:
2023년 2월 13일
원천:
캘리포니아 대학교 - 버클리
요약:
몇 년 동안 벼도열병은 전 세계적으로 수확량의 1/4 이상을 파괴합니다. 그러나 현재의 방법으로는 싸우기가 어렵습니다. 연구원들은 이제 곰팡이가 벼 잎의 질긴 피부를 어떻게 덮는지 발견하고 잎에 구멍을 뚫기 위해 분비되는 효소의 구조를 결정했습니다. 그들은 이제 쌀과 다른 농작물에 뿌리는 살진균제로 작용할 화학적 차단제를 찾고 있습니다.

전체 이야기
전 세계적으로 벼 작물을 괴롭히는 곰팡이가 단순한 화학적 차단제에 취약한 방식으로 식물 세포에 침투하여 쌀과 기타 귀중한 곡물의 상당한 연간 손실을 줄이기 위한 새로운 살균제로 이어질 수 있는 발견입니다.

매년 곰팡이 병원균인 Magnaporthe oryzae 에 의해 발생하는 도열병 은 기후 조건에 따라 전 세계 벼 작물의 10%에서 35%를 차지하는 식물을 공격하고 죽입니다.

화학 및 분자 및 세포 생물학 교수인 마이클 말레타(Michael Marletta)가 이끄는 버클리 캘리포니아 대학의 생화학자들은 곰팡이가 벼 잎의 질긴 바깥층에 구멍을 뚫는 효소를 분비한다는 사실을 발견했습니다. 안으로 들어가면 곰팡이가 빠르게 자라며 필연적으로 식물을 죽입니다.

국립 과학 아카데미 회보 에 이번 주에 발표된 논문에서 Marletta와 그의 동료들은 효소의 구조와 균류가 식물에 침입하는 것을 돕기 위해 작용하는 방법을 설명했습니다. 효소는 벼 잎의 표면에 분비되기 때문에 간단한 스프레이만으로도 식물의 벽을 소화하는 효소의 능력을 파괴하는 데 효과적일 수 있습니다. 과학자들은 현재 효소를 차단하는 화학 물질을 찾기 위해 화학 물질을 선별하고 있습니다.

UC 버클리 질병분자생물학부의 Choh Hao와 Annie Li 의장인 Marletta는 "이 곰팡이를 제거할 수 있다면 전 세계적으로 6천만 명 이상의 사람들을 먹일 수 있을 것으로 추정됩니다."라고 말했습니다. "이 효소는 독특한 표적입니다. 여기서 우리의 희망은 우리가 몇 가지 독특한 화학 물질을 찾기 위해 스크리닝하고 이 효소에 대한 억제제를 개발하기 위해 회사를 분사하는 것입니다."

이 표적은 Marletta와 그의 UC Berkeley 동료들이 약 10년 전에 다른 더 널리 퍼진 곰팡이인 Neurospora 에서 발견한 PMO(Polysaccharide monooxygenases)라는 효소 계열 중 하나입니다 . 다당류는 셀룰로오스와 리그닌을 포함하여 식물을 튼튼하게 만드는 질긴 섬유질뿐만 아니라 전분을 포함하는 설탕 중합체입니다. PMO 효소는 셀룰로오스를 더 작은 조각으로 분해하여 다당류를 셀룰라아제와 같은 다른 효소에 민감하게 만들고 식물 섬유의 분해 속도를 높입니다.

"특히 남아시아와 사하라 사막 이남 아프리카에서 벼 도열병에 대한 보다 지속 가능한 제어 전략이 시급히 필요합니다."라고 Marletta의 동료이자 공동 저자이자 The Sainsbury의 식물 질병 전문가이자 전무이사인 Nicholas Talbot은 말했습니다. 영국 노리치에 있는 연구소. "식물 감염에 대한 다당류 모노옥시게나제의 중요성을 고려할 때, 기존 살균제보다 훨씬 적은 양으로 적용할 수 있고 잠재적인 환경 영향이 적은 새로운 화학 물질을 개발하는 데 유용한 표적이 될 수 있습니다. 유전자 침묵과 같은 자유로운 접근도 가능합니다."

Marletta와 UC Berkeley Ph.D 학생인 Will Beeson과 Chris Phillips는 이전에 설명한 다른 효소보다 식물 셀룰로오스를 훨씬 더 빨리 분해하여 바이오매스를 바이오 연료로 더 쉽게 발효될 수 있는 당 중합체로 전환할 가능성이 있기 때문에 원래 이 효소에 관심을 가졌습니다. . 곰팡이는 PMO를 사용하여 식량 공급원을 제공합니다.

그와 UC Berkeley 동료들은 나중에 일부 곰팡이 PMO가 단순히 셀룰로오스를 음식으로 바꾸는 것 이상을 할 수 있다는 힌트를 발견했습니다. 이러한 PMO는 감염 초기 단계에서 켜져 있어 음식을 제공하는 것보다 감염 과정에서 중요하다는 것을 의미합니다.

그것이 바로 Marletta, Talbot 및 그들의 동료들이 발견한 것입니다. 박사후 연구원 Alejandra Martinez-D'Alto가 이끄는 UC 버클리 과학자들은 MoPMO9A라고 불리는 이 독특한 PMO를 생화학적으로 특성화했으며 Talbot과 UC 버클리 박사후 연구원 Xia Yan은 효소를 제거하면 벼 식물의 감염이 감소한다는 것을 보여주었습니다.

Marletta와 그의 UC Berkeley 동료들은 포도, 토마토, 양상추 및 기타 주요 작물을 공격하는 곰팡이에서 유사한 PMO를 발견했습니다. 이는 새로운 발견이 식물 곰팡이 질병에 대해 광범위하게 적용될 수 있음을 의미합니다.

Marletta는 "소분자 억제제를 사용할 수 있는 것은 쌀만이 아닙니다. 그들은 다양한 작물 병원균에 대해 널리 사용될 수 있습니다."라고 말했습니다. "나는 식물 병원체에 대한 약물 개발 측면에서 이것의 미래가 꽤 흥미진진하다고 생각합니다. 그래서 우리는 항상 그렇듯이 그것의 기초 과학을 추구하고 그것을 회전시키기 위해 조각을 모으려고 노력할 것입니다. 회사로 나왔다."

곰팡이 병원균을 공격하는 바이오 연료

Marletta는 인간 세포에서 새롭고 특이한 효소를 식별하고 연구하는 것을 전문으로 합니다. 그러나 10년 전 사람들이 기후 변화를 해결하는 방법으로 바이오 연료에 대해 열광했을 때 그는 UC 버클리의 에너지 생명 과학 연구소로부터 그 당시 알려진 효소보다 식물 셀룰로오스를 더 빨리 소화하는 다른 생명체의 효소를 찾기 위한 보조금을 받았습니다. . 목표는 질긴 셀룰로오스 섬유를 효모가 연료로 발효할 수 있는 단쇄 다당류로 바꾸는 것이었습니다.

Marletta는 "나는 1학년 대학원생 중 두 명인 Chris Phillips와 Will Beeson에게 '아시겠지만, 셀룰로오스를 빨리 먹는 유기체가 있어야 합니다'라고 말했습니다."라고 말했습니다. "그것들은 우리가 찾고자 하는 것입니다. 왜냐하면 우리는 그것을 천천히 먹는 효소를 알고 있기 때문입니다. 그리고 그것들은 느리기 때문에 생명 공학적인 의미에서 특별히 유용하지 않습니다."

Phillips와 Beeson은 일반적인 곰팡이인 Neurospora 에서 빠르게 작용하는 효소를 찾는 데 성공했습니다 . Neurospora는 화재 후 죽은 나무를 공격하는 최초의 곰팡이 중 하나이며 나무를 빠르게 소화하여 영양분을 얻습니다. 그들은 최초의 알려진 PMO인 책임 있는 효소를 분리하고 그것이 어떻게 작용하는지 설명했습니다. 그 이후로 Marletta의 학생들은 16,000종의 PMO를 식별했으며, 대부분은 균류에서 발견되었지만 일부는 나무를 먹는 박테리아에서 발견되었습니다. 지금까지 이들은 바이오연료를 다른 연료와 경쟁적으로 만들지는 못했지만 다른 효소 칵테일의 일부로 바이오연료 생산 속도를 높이는 데 어느 정도 성공했습니다.

그러나 Marletta는 균류에 영양을 공급하는 것 이상의 역할을 하는 것으로 보이는 16,000종의 작은 하위 집합에 흥미를 느꼈습니다. 특히 MoPMO9A는 곰팡이의 외피를 형성하는 다당류인 키틴에 결합하는 아미노산 세그먼트를 가지고 있지만 쌀에서는 발견되지 않습니다. 그리고 모든 PMO가 분비되지만 MoPMO9A는 곰팡이의 감염 주기 동안 분비됩니다.

후속 연구에 따르면 Magnaporthe는 MoPMO9A를 부착기(appressorium)라고 하는 가압된 감염 세포에 농축하여 식물에 분비하고 효소의 한 부분이 곰팡이 외부에 결합하는 것으로 나타났습니다. 효소의 다른 쪽 끝에는 중앙에 구리 원자가 박혀 있습니다. 곰팡이가 효소의 느슨한 말단을 벼 잎에 때리면 구리 원자가 산소와의 반응을 촉매하여 셀룰로오스 섬유를 끊고 곰팡이가 잎 표면을 뚫고 전체 잎을 침범하도록 돕습니다.

Marletta에 따르면 "우리는 궁금했습니다. '이봐, 이 효소가 셀룰로오스에서 작동해야 한다면 왜 키틴 결합 도메인을 가지고 있지?'"라고 말했습니다. "그때 우리는 '글쎄, 분비되었을 수도 있지만 곰팡이에 달라붙어 있습니다. 그런 식으로 곰팡이가 식물에 앉아 있을 때 식물과 잎 사이에 촉매 영역을 가질 수 있어 구멍을 뚫을 수 있습니다. 잎.'"

그것은 사실로 판명되었습니다. Marletta와 Talbot은 현재 PMO를 생성하는 다른 병원체를 테스트하여 동일한 트릭을 사용하여 잎에 들어가 감염시키는지 확인하고 있습니다. 만약 그렇다면 -- Marletta는 그들이 그렇게 한다고 확신합니다 -- 그것은 또한 분무형 살균제로 그들을 공격할 수 있는 길을 열어줍니다.

"이와 같은 PMO를 찾을 수 있는 유일한 곳은 숙주에 접근해야 하는 식물 병원체입니다. 따라서 그들은 거의 확실히 동일한 방식으로 작동할 것입니다."라고 Marletta는 말했습니다. "나는 이 특정 PMO에 대한 억제제를 개발하는 작업의 범위가 벼를 훨씬 넘어설 것이라고 생각합니다. 그 자체가 꽤 중요하긴 하지만요. 우리는 다른 중요한 농작물에서 그것들을 사용할 수 있을 것입니다."

이 논문의 다른 공동 저자로는 UC Berkeley의 Alejandra Martinez-D'Alto, Tyler Detomasi, Richard Sayler 및 William Thomas가 있습니다. Marletta는 California Institute for Quantitative Biosciences(QB3)의 버클리 분과 회원입니다. 이 연구는 국립 과학 재단(CHE-1904540, MCB-1818283)과 국립 보건원(F32-GM143897)의 자금 지원을 받았습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/