Penemuan bisa mengarah pada fungisida baru untuk melindungi tanaman padi

 

Sebuah jamur yang mengganggu tanaman padi di seluruh dunia masuk ke sel tanaman dengan cara yang membuatnya rentan terhadap penghambat kimia sederhana, sebuah penemuan yang dapat mengarah pada fungisida baru untuk mengurangi kerugian beras tahunan yang besar dan sereal berharga lainnya.

Ahli biokimia University of California, Berkeley yang dipimpin oleh Michael Marletta, profesor kimia dan biologi molekuler dan sel, telah menemukan bahwa jamur mengeluarkan enzim yang melubangi lapisan luar daun padi yang keras. Begitu masuk, jamur tumbuh dengan cepat dan mau tidak mau membunuh tanaman.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan minggu ini di jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences , Marletta dan rekannya menjelaskan struktur enzim dan cara kerjanya untuk membantu jamur menyerang tanaman. Karena enzim disekresikan ke permukaan daun padi, semprotan sederhana bisa efektif menghancurkan kemampuan enzim untuk mencerna dinding tanaman. Para ilmuwan sekarang menyaring bahan kimia untuk menemukan yang menghalangi enzim.

“Perkiraannya adalah jika Anda dapat melumpuhkan jamur ini, Anda dapat memberi makan 60 juta lebih banyak orang di dunia,” kata Marletta, Ketua Choh Hao dan Annie Li di Molecular Biology of Diseases di UC Berkeley. “Enzim ini adalah target yang unik. Harapan kami di sini adalah bahwa kami akan menyaring untuk menemukan beberapa bahan kimia unik dan membentuk perusahaan untuk mengembangkan penghambat enzim ini.”

Target ini adalah salah satu keluarga enzim yang disebut polisakarida monooksigenase (PMO) yang ditemukan Marletta dan rekannya di UC Berkeley sekitar 10 tahun yang lalu pada jamur lain yang lebih tersebar luas, Neurospora. Polisakarida adalah polimer gula yang mengandung pati serta serat keras yang membuat tanaman kokoh, termasuk selulosa dan lignin. Enzim PMO memecah selulosa menjadi potongan-potongan kecil, membuat polisakarida rentan terhadap enzim lain, seperti selulase, dan mempercepat pemecahan serat tumbuhan.

“Ada kebutuhan mendesak untuk strategi pengendalian yang lebih berkelanjutan untuk penyakit blas padi, khususnya di Asia Selatan dan Afrika sub-Sahara,” kata Nicholas Talbot, yang merupakan kolega dan rekan penulis Marletta, pakar penyakit tanaman dan direktur eksekutif The Sainsbury. Laboratorium di Norwich di Inggris Raya. “Mengingat pentingnya polisakarida monooksigenase untuk infeksi tanaman, ini mungkin menjadi target yang berharga untuk mengembangkan bahan kimia baru yang dapat diterapkan pada dosis yang jauh lebih rendah daripada fungisida yang ada dan dengan potensi dampak lingkungan yang lebih kecil. Mungkin juga menjadi target untuk bahan kimia sepenuhnya- pendekatan bebas juga, seperti pembungkaman gen.”

 

Mahasiswa Ph.D Marletta dan UC Berkeley Will Beeson dan Chris Phillips pada awalnya tertarik pada enzim ini karena enzim ini mendegradasi selulosa tanaman jauh lebih cepat daripada enzim lain yang dijelaskan sebelumnya dan dengan demikian memiliki potensi untuk mengubah biomassa menjadi polimer gula yang dapat difermentasi lebih mudah menjadi biofuel. . Jamur menggunakan PMO untuk menyediakan sumber makanan.

Dia dan rekan UC Berkeley kemudian menemukan petunjuk bahwa beberapa PMO jamur dapat melakukan lebih dari sekadar mengubah selulosa menjadi makanan. PMO ini diaktifkan pada tahap awal infeksi, menyiratkan bahwa mereka penting dalam proses infeksi daripada menyediakan makanan.

Itulah yang ditemukan Marletta, Talbot, dan rekan mereka. Dipimpin oleh rekan postdoctoral Alejandra Martinez-D’Alto, para ilmuwan UC Berkeley secara biokimia mengkarakterisasi PMO unik ini, yang disebut MoPMO9A, sementara rekan postdoctoral Talbot dan UC Berkeley Xia Yan menunjukkan bahwa mematikan enzim mengurangi infeksi pada tanaman padi.

Marletta dan rekannya di UC Berkeley telah menemukan PMO serupa pada jamur yang menyerang anggur, tomat, selada, dan tanaman utama lainnya, yang berarti temuan baru ini dapat diterapkan secara luas terhadap penyakit jamur tanaman.

“Bukan hanya beras yang dapat digunakan penghambat molekul kecil. Mereka dapat digunakan secara luas untuk melawan berbagai patogen tanaman yang berbeda,” kata Marletta. “Saya pikir masa depan untuk ini, dalam hal pengembangan obat untuk patogen tanaman , cukup menarik, itulah sebabnya kami akan mengejar ilmu dasarnya, seperti yang selalu kami lakukan, dan mencoba menyatukan potongan-potongan untuk memutarnya. keluar sebagai sebuah perusahaan.”

Biofuel memimpin jalan untuk menyerang patogen jamur

Marletta berspesialisasi dalam mengidentifikasi dan mempelajari enzim baru dan tidak biasa dalam sel manusia. Namun 10 tahun yang lalu, ketika orang bersemangat tentang biofuel sebagai cara untuk mengatasi perubahan iklim, dia dianugerahi hibah dari Institut Biosains Energi UC Berkeley untuk mencari enzim dalam bentuk kehidupan lain yang mencerna selulosa tumbuhan lebih cepat daripada enzim yang dikenal pada saat itu. . Tujuannya adalah mengubah serat selulosa yang keras menjadi polisakarida rantai pendek yang dapat difermentasi oleh ragi menjadi bahan bakar.

 

“Saya berkata kepada dua mahasiswa pascasarjana tahun pertama saya, Chris Phillips dan Will Beeson, ‘Anda tahu, pasti ada organisme di luar sana yang memakan selulosa dengan cepat,'” kata Marletta. “Itulah yang ingin kami temukan, karena kita tahu enzim yang memakannya lambat, dan mereka tidak terlalu berguna dalam pengertian bioteknologi karena mereka lambat.”

Phillips dan Beeson berhasil menemukan enzim yang bekerja cepat pada jamur biasa, Neurospora, yang merupakan salah satu jamur pertama yang menyerang pohon mati setelah kebakaran dan dengan cepat mencerna kayu untuk nutrisi. Mereka mengisolasi enzim yang bertanggung jawab, PMO pertama yang diketahui, dan menjelaskan cara kerjanya. Sejak saat itu, siswa Marletta telah mengidentifikasi 16.000 varietas PMO, sebagian besar pada jamur, namun beberapa pada bakteri pemakan kayu. Sampai saat ini, ini telah berhasil mempercepat produksi biofuel sebagai bagian dari campuran enzim lain, meskipun mereka belum membuat biofuel kompetitif dengan bahan bakar lainnya.

Tetapi Marletta tertarik dengan sebagian kecil dari 16.000 varietas ini yang tampaknya lebih dari sekadar menyediakan nutrisi bagi jamur. MoPMO9A, khususnya, memiliki segmen asam amino yang berikatan dengan kitin, polisakarida yang membentuk lapisan luar jamur, tetapi tidak ditemukan pada beras. Dan meskipun semua PMO disekresikan, MoPMO9A disekresikan selama siklus infeksi jamur.

Studi kemudian menunjukkan bahwa Magnaporthe memusatkan MoPMO9A dalam sel infeksi bertekanan, yang disebut apresorium, dari mana ia disekresikan ke tanaman, dengan satu bagian enzim yang mengikat bagian luar jamur. Ujung enzim yang lain memiliki atom tembaga yang tertanam di tengahnya. Ketika jamur menempelkan ujung enzim ke daun padi, atom tembaga mengkatalisis reaksi dengan oksigen untuk memecah serat selulosa, membantu jamur menembus permukaan daun dan menyerang seluruh daun.

“Kami penasaran: ‘Hei, mengapa enzim ini memiliki domain pengikat kitin jika seharusnya bekerja pada selulosa ?'” kata Marletta. “Dan saat itulah kami berpikir, ‘Yah, mungkin itu disekresikan, tapi menempel pada jamur. Dengan begitu, ketika jamur duduk di tanaman, ia dapat memiliki domain katalitik antara tanaman dan daun untuk melubangi daun.'”

Itu terbukti benar. Marletta dan Talbot sekarang sedang menguji patogen lain yang menghasilkan PMO untuk melihat apakah mereka menggunakan trik yang sama untuk masuk dan menginfeksi daun. Jika demikian — Marletta yakin mereka melakukannya — itu juga membuka jalan untuk menyerang mereka dengan fungisida semprot.

“Satu-satunya tempat Anda menemukan PMO seperti ini adalah pada patogen tanaman yang harus mendapatkan akses ke inangnya. Jadi, mereka hampir pasti akan bekerja dengan cara yang sama,” kata Marletta. “Saya pikir ruang lingkup pekerjaan untuk mengembangkan penghambat PMO khusus ini akan jauh melampaui beras, meskipun itu sendiri cukup penting. Kami akan dapat menggunakannya di tanaman penting lainnya.”