Растения — великолепные химики, как показывает ДНК гардении

Растения — одни из самых удивительных химиков природы. В отличие от животных, они не могут убежать от хищников или патогенов. Они не могут вырваться с корнем в поисках партнера или распространения семян.

Вместо этого они производят химические вещества: токсины для уничтожения бактерий, горькие алкалоиды для отпугивания травоядных, сладкий нектар и яркие пигменты для привлечения опылителей или птиц, которые помогают рассеивать семена.

Химические вещества — это один из способов растений вести любовь и войну.

В новом исследовании ученые исследуют этот вопрос на примере эволюции гардении жасминовидной (Gardenia jasminoides). Исследователи впервые секвенировали геном гардении, а затем детально изучили, как растение производит соединение кроцин. Этот ярко окрашенный химикат, придающий шафрану алый оттенок, также отвечает за красно-оранжевый цвет созревших плодов гардении.

Исследование:

• Выявило гены, участвующие в производстве кроцина.
• Использовало их для создания соединения в лаборатории.
• Расшифровало пошаговый процесс, который гардении используют для синтеза кроцина.

Эта работа закладывает основу для крупномасштабного производства кроцина, который, как считается, обладает антиоксидантными и лекарственными свойствами.

Результаты, опубликованные 18 июня в BMC Biology, подчеркивают силу эволюционного процесса тандемной дупликации генов, при которой случайное копирование ДНК дает организмам возможность расширить арсенал доступных генетических инструментов.

«Важный принцип заключается в том, что растения могут заново изобретать вещи. Они могут дублировать некоторые части своего генетического набора и немного изменять функции», — говорит соавтор Виктор Альберт.

Как удвоенная ДНК помогает растениям расширить генетический инструментарий

При тандемной дупликации один ген ошибочно реплицируется во время размножения. Затем, по мере эволюции вида, избыточная ДНК может мутировать и приобретать новые функции.

Исследование пришло к выводу, что у Gardenia jasminoides тандемная дупликация привела к эволюции гена, необходимого для синтеза кроцина. Этот же механизм позволил близкому родственнику гардении — кофейному растению Coffea canephora — развить гены, производящие кофеин.

«Это случай, когда мы видим, как один и тот же базовый эволюционный механизм генерирует эти тандемные дубликаты для создания двух различных биосинтетических путей, представляющих интерес у двух растений», — отмечает Альберт.

Создано растениями, но полезно и для людей

Кроцин содержится не только в гардениях, но и в шафране (крокусе). Эти виды не унаследовали способность производить кроцин от общего предка: они развили свой арсенал генов независимо. То же самое относится и к генам кофеина у кофе, чая и шоколада.

«Растения играют в игры с множественной эволюцией интересных фитохимических веществ. И, конечно, все эти фитохимические вещества полезны для растений», — говорит Альберт.

Однако соединения, производимые растениями, могут приносить пользу и людям. Аспирин тесно связан с соединением, обнаруженным в коре ивы. Дигоксин, используемый для лечения проблем с сердцем, происходит из наперстянки. Антиоксидантные свойства кроцина представляют интерес для исследователей.

«Изящная демонстрация на биохимическом уровне того, как природа повторно использует и адаптирует уже существующие механизмы, а не создает совершенно новые», — говорит соавтор Джованни Джулиано.