Расшифровка химического словаря растений
Растения всю жизнь привязаны к одному месту. Столкнувшись с угрозой, например, с нашествием голодных травоядных или вирусной инфекцией, они не могут убежать и вынуждены бороться за выживание. Ключ к их защите — химия.
Благодаря этому постоянному конфликту растения эволюционировали в удивительных химиков, способных синтезировать десятки тысяч соединений с помощью тысяч генов. Эти химические вещества, известные как специализированные метаболиты, позволяют растениям противостоять временным угрозам окружающей среды. Более того, некоторые из этих соединений полезны для человека: более трети лекарственных препаратов получены из растительных специализированных метаболитов.
Понимание того, как растения развили этот огромный химический словарь, давно является целью исследований в биологии растений. Команда учёных из Института Карнеги под руководством Сын Ён Ри и Ли Че провела масштабный сравнительный анализ геномов растений, чтобы изучить эволюцию специализированного метаболизма. Их выводы, опубликованные в журнале Science, имеют большое значение для методов поиска новых полезных метаболитов в растениях.
Для проведения исследования команда разработала вычислительный конвейер, способный преобразовать секвенированный геном растения в представление о метаболизме организма — так называемую метаболическую сеть.
«Ключ к нашему анализу, как и к любому сравнительному геномному анализу, — это согласованность и качество данных по разным видам, — говорит Че. — Наш конвейер обеспечивает эту согласованность с проверенными уровнями точности и охвата».
Важно, что конвейер позволяет команде создать надёжную метаболическую сеть для любого секвенированного генома примерно за два дня или меньше — это огромная экономия времени и ресурсов по сравнению с ранее занимавшим месяцы процессом.
Используя этот конвейер, команда реконструировала и проанализировала метаболические сети для 16 видов зелёных растений, включая цветковые растения, водоросли и мхи. Они обнаружили, что гены, производящие специализированные метаболиты, демонстрируют необычные свойства в своей эволюции, включая их количество и организацию в каждом геноме, генетические механизмы их формирования и тенденцию к одновременной активации.
В совокупности эти свойства представляют собой отличительную сигнатуру генов специализированного метаболизма, которая предлагает инновационную стратегию для открытия новых специализированных метаболитов у различных видов растений. Такие открытия могут иметь широкие последствия для многих областей исследований, включая сельское хозяйство, биотехнологию, разработку лекарств и синтетическую биологию.
«Несмотря на нашу зависимость от растительных соединений для здоровья и благополучия, мы очень мало знаем о том, как они производятся или об истинном масштабе их разнообразия в природе, — говорит Ри. — Мы надеемся, что наши выводы позволят исследователям использовать эти сигнатуры как инструмент для обнаружения ранее неизвестных специализированных метаболитов, изучения их пользы для растения и определения их потенциальной пользы для нас».