Гриб обезоруживает химическую защиту короедов, превращая их растительные токсины

Хвоя ели богата фенольными соединениями, защищающими деревья от патогенных грибов. Исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене изучили, как эти растительные защиты функционируют в пищевой сети, в частности у еловых короедов (Ips typographus), которые поглощают эти соединения с пищей. Могут ли жуки использовать вещества из защитной системы ели для собственной защиты от патогенных грибов?

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Жуки превращают защитные вещества растений в более токсичные формы

С помощью современных аналитических методов, таких как масс-спектрометрия и ядерный магнитный резонанс (NMR), команда исследовала, какие химические соединения производят ели для защиты и как эти соединения метаболизируются короедами. Было показано, что короеды, заселяющие ели, используют защитные вещества дерева, содержащиеся во флоэме, в частности фенольные гликозиды, такие как стильбены и флавоноиды, для усиления своей защиты от патогенов. Они превращают эти соединения в более токсичные агликоны — формы без сахара, обладающие повышенной антимикробной активностью. Эти агликоны служат эффективной защитой от грибов.

«Мы не ожидали, что жуки смогут так целенаправленно превращать защитные вещества ели в более токсичные производные», — отметил ведущий автор Руо Сунь из отдела биохимии.

Гриб нейтрализует защиту жуков с помощью специфических путей детоксикации

Затем учёные исследовали, как защитные вещества жуков влияют на гриб Beauveria bassiana.

«Хотя этот гриб в прошлом не был эффективен в борьбе с короедами, мы обнаружили штаммы, которые естественным образом заражали и убивали их. Поэтому мы хотели подробнее изучить, как им удалось успешно заразить жуков», — объясняет Сунь.

Дальнейшие анализы и ферментные тесты показали, что гриб использует двухэтапный процесс детоксикации. Сначала происходит гликозилирование — повторное присоединение сахара к агликонам. Затем следует метилирование — присоединение метильной группы к сахару. Полученные метилгликозидные производные не токсичны для Beauveria bassiana.

Интересно, что метилгликозилирование усиливает заражение грибом, особенно у жуков, которые ранее потребляли растительную ткань с высоким содержанием фенолов. Кроме того, метилгликозиды устойчивы к ферментам жука, которые могли бы восстановить токсичность соединений путём гидролиза.

Учёные проверили функцию пути детоксикации у Beauveria bassiana, «выключив» гены, ответственные за метилгликозилирование. Дальнейшие эксперименты показали, что грибы, лишённые этих генов и, следовательно, пути детоксикации, были гораздо менее эффективны в заражении короедов.

Эволюционное равновесие с потенциалом для применения

Исследование ясно показывает, что химическая защита дерева может претерпевать множественные превращения и обратные превращения по всей пищевой цепи — с далеко идущими последствиями для эволюционной «гонки вооружений» между хозяевами, вредителями и патогенами.

«Мы продемонстрировали, что короед может заимствовать защитные соединения дерева для создания защиты от своих собственных врагов. Однако, поскольку один из врагов, гриб Beauveria bassiana, развил способность обезвреживать эти антимикробные защиты, он может успешно заражать короедов и таким образом фактически помогать дереву в его борьбе с короедами», — резюмирует руководитель исследования Джонатан Гершензон.

Эти открытия могут привести к разработке более эффективных агентов биологического контроля против короедов.

«Теперь, когда мы знаем, какие штаммы гриба устойчивы к антимикробным фенольным соединениям короеда, мы можем использовать эти штаммы для более эффективной борьбы с короедами», — говорит Сунь, указывая на потенциальные применения. Исследование подчёркивает важность проверки на устойчивость или стратегии детоксикации, выработанные вредителем против своего хозяина, при использовании биологических пестицидов.

В дальнейших экспериментах исследовательская группа хочет определить, насколько широко распространён путь детоксикации через метилгликозилирование у различных штаммов гриба Beauveria bassiana и у других патогенов короедов. Они также хотят понять, как этот путь взаимодействует с другими характеристиками патогенов, влияющими на его эффективность.