Растения против гусениц: Слюна насекомых — ключевое оружие в войне за урожай
Мятный вкус растений — это результат выработки эфирных масел для защиты от насекомых. Аналогично действуют и другие растения, такие как базилик и капуста. Их защитные соединения могут иметь неприятный вкус или запах, укреплять клеточные стенки или нарушать пищеварение вредителей. Однако насекомые не беззащитны, и одно из их главных оружий — их слюна.
«Всё дело в химии», — говорит Лорен Ривера-Вега, аспирант по энтомологии из Penn State. Растения могут распознавать физические повреждения и химические вещества в экскрементах или слюне насекомых. «Но некоторые белки в слюне насекомых могут подавлять защитные реакции растений, а не запускать их. В каком-то смысле растение обманывают».
Химическая война
Чаще всего этот трюк используют насекомые-специалисты, питающиеся одним типом растений. Генералисты — насекомые с широким рационом — обычно более чувствительны к защите растений. «Насекомому сложно питаться разными видами растений, потому что у них разные системы защиты», — отмечает Ривера-Вега. Тем не менее, некоторые из самых опасных сельскохозяйственных вредителей — генералисты. Ривера-Вега изучает одного из них — гусеницу капустной совки (Trichoplusia ni). Несмотря на название, эти гусеницы могут повреждать более сорока овощных и декоративных культур.
«Если понять, как растение реагирует на насекомое и как насекомое избегает защиты, можно попытаться использовать это в своих интересах», — говорит исследовательница. Её главный вопрос: как капустная совка может питаться столькими разными растениями и выживать? Она считает, что секрет может быть в их слюне, и изучает, как она меняется при питании на разных растениях.
В экспериментах гусениц сначала выращивают на искусственной диете из бобов, пивных дрожжей и других питательных веществ. Затем их помещают на капусту и томаты — культуры с разными защитными химикатами. На капусте (предпочтительном корме) гусеницы развиваются лучше, на томатах — медленнее. После нескольких дней питания собирают листья и самих гусениц для анализа.
Внутренний мир гусеницы
Химический анализ листьев показал, что гусеницы подавляли выработку защитных соединений у томатов. Чтобы проверить роль слюны, Ривера-Вега собирает её, точнее, целые слюнные железы, аккуратно препарируя гусениц. «Это действительно круто, когда открываешь их и видишь всё, что происходит внутри», — делится она.
В слюнных железах капустной совки было идентифицировано 400 белков с известными функциями у других насекомых. Некоторые делают насекомых «невидимыми» для защиты растений. Например, гусеницы вырабатывают ферменты, похожие на те, что использует другой генералист — кукурузная листовёртка. Та слюной выделяет глюкозооксидазу на растения табака, чтобы предотвратить выброс смертельного токсина — никотина. Сходство не удивительно, так как томат и табак принадлежат к одному семейству и имеют схожие защитные химикаты.
Также обнаружены белки другого типа, которые обезвреживают защитные соединения уже после попадания в организм насекомого. Классический пример — табачный бражник, который с помощью детоксицирующих белков в кишечнике расщепляет и выводит никотин, потребляя его в количествах, смертельных для человека.
Ривера-Вега обнаружила, что состав слюны капустной совки меняется в зависимости от растения-хозяина. Белки были одинаковыми при питании на капусте и томате, но их уровни различались. «Защита капусты и томата очень разная, поэтому и справляться с ней нужно по-разному. Насекомому потребуются разные количества белков», — объясняет она. Возможно, совка увеличивает выработку определённых белков в ответ на конкретные растительные химикаты.
Следующие шаги
«Пока я сосредотачивалась на насекомом. Теперь нужно посмотреть на растение и проверить, действительно ли взаимодействие происходит так, как я думаю», — говорит Ривера-Вега. Она планирует проверить, действительно ли идентифицированные белки слюны борются с защитой растений. Для этого:
- Чтобы проверить, обманывает ли белок растение, лист будут повреждать инструментом, имитируя укус, а затем обрабатывать белком, измеряя уровень защитных соединений.
- Чтобы проверить, обезвреживает ли белок токсины после проглатывания, производство белка в слюне будут блокировать перед тем, как посадить гусеницу на растение. Если белок был детоксификатором, гусеница станет уязвима и будет медленнее расти или погибнет.
Исследования будут продолжены и на других культурах. «Идея была сделать масштабный анализ на двух культурах. Теперь я могу целенаправленно изучать ключевые белки и тестировать их на более широком спектре растений», — говорит учёный.
Понимание того, как насекомые питаются разными культурами, может помочь найти новые способы борьбы с ними. Многие культуры уже улучшены с помощью селекции и генной инженерии для лучшей защиты. «Будущее исследований — в понимании основ, чтобы найти инструменты, о которых мы даже не думали. Но исследования слюны гусениц и того, как она помогает им питаться, всё ещё отстают», — заключает Ривера-Вега.
Оказывается, слюне гусениц ещё есть чему нас научить.