Учёные обнаружили ключевой ген для синтеза токсичного алкалоида в ячмене

Все растения взаимодействуют с окружающей средой посредством химических сигналов. Пример — алкалоид грамин, производимый ячменем, одной из самых широко возделываемых зерновых культур в мире. Грамин обеспечивает защиту от насекомых-вредителей и травоядных животных, а также подавляет рост других растений. Несмотря на давний интерес, ключевой ген, ответственный за образование грамина, оставался неизвестным.

Исследователи обнаружили в ячмене кластер из двух генов для биосинтеза грамина. Первый ген (HvNMT) был открыт 18 лет назад. В новой работе учёные из IPK и Университета Лейбница в Ганновере идентифицировали второй ген (AMI-синтаза, HvAMIS) и выяснили, что оба гена расположены близко друг к другу на одной хромосоме. Это открытие позволило полностью расшифровать путь биосинтеза грамина. Результаты опубликованы в журнале Science.

«Мы обнаружили, что AMIS является оксидазным ферментом, который осуществляет необычную скрытую окислительную перестройку триптофана, что позволило нам пересмотреть предыдущую биосинтетическую схему 1960-х годов», — говорит доктор Джон Д'Аурия, руководитель исследовательской группы Metabolic Diversity в IPK.

Профессор, доктор Якоб Франке, руководитель группы Biochemistry of Plant Specialized Metabolites в Университете Лейбница в Ганновере, добавляет: «Мы были очень удивлены ранее неизвестным ферментативным механизмом образования грамина. В то же время у нас теперь есть возможность производить биологически активные алкалоиды с помощью устойчивых биотехнологических методов».

Исследовательской группе удалось произвести грамин в дрожжах и модельных растениях (Nicotiana benthamiana, Arabidopsis).

«В отличие от многих других защитных метаболитов растений, для производства грамина требуется всего два гена. Поэтому использование наших открытий для практического применения относительно просто», — сказал Лин Чуан из Университета Лейбница в Ганновере, один из первых авторов.

«Кроме того, генная инженерия ячменя позволила нам производить грамин в сорте ячменя, который его не производит, и устранить производство грамина в производящем его сорте с помощью редактирования генома», — объясняет другой первый автор, Сара Лейте Диас.

«Результаты закладывают основу для производства грамина в организмах, не обладающих естественной способностью к его синтезу, например, в качестве природного средства защиты растений, или для удаления грамина из ячменя и других злаков, чтобы снизить токсичность для жвачных животных», — говорит доктор Джон Д'Аурия.

«Наши открытия создают основу для улучшения ячменя с целью повышения его устойчивости к вредителям, снижения токсичности для жвачных животных и содействия устойчивому управлению сорняками».