Капустные белянки используют два кишечных фермента для максимальной гибкости в обезвреживании «горчичных бомб»

Исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене совместно с коллегами из Стокгольмского и Токийского университетов сообщают в новом исследовании в PNAS, что гусеницы капустной белянки используют два кишечных фермента для эффективного обезвреживания «горчичной бомбы» — основной химической системы защиты их кормовых растений.

Капустные белянки, по-видимому, способны нейтрализовать различные глюкозинолаты — защитные соединения капусты и родственных растений — за счёт тонко настроенного использования своих детоксикационных ферментов. С помощью методов геномного редактирования исследователи смогли продемонстрировать функцию отдельных ферментов и подтвердить их эффективность.

Крестоцветные растения, такие как капуста, рапс, хрен или горчица, имеют особую стратегию защиты от травоядных, называемую «горчичной бомбой». Они запасают глюкозинолаты, которые при повреждении тканей (например, когда гусеницы питаются) вступают в реакцию с ферментами мирозиназами. В результате расщепления глюкозинолатов образуются токсичные горчичные масла. Острый вкус горчицы и хрена — результат работы этой «бомбы».

Исследователи под руководством Ю Окамуры и Хайко Фогеля из Института химической экологии Макса Планка детально изучили, как капустная белянка обезвреживает эту систему.

Ранее были идентифицированы два фермента гусениц, играющих центральную роль в детоксикации, и кодирующие их гены:

• Фермент NSP (нитрил-специфицирующий белок) — перенаправляет реакцию «горчичной бомбы» на производство нетоксичных нитрилов вместо токсичных горчичных масел.
• Фермент MA (основной аллерген) — также, как предполагалось, важен для выживания гусениц на крестоцветных растениях.

Гены NSP и MA являются сестринскими и произошли от кишечного белка неизвестной функции, встречающегося у многих видов бабочек. Оба фермента есть только у капустных белянок и других видов семейства Pieridae (белянки), чьи кормовые растения содержат глюкозинолаты.

Для проверки функции генов NSP и MA решающее значение имела технология геномного редактирования CRISPR-Cas9. С её помощью исследователи создали гусениц, лишённых либо гена NSP, либо гена MA, либо обоих сразу, а следовательно, и соответствующих ферментов для детоксикации. Затем в кормовых экспериментах на растениях с разным составом глюкозинолатов проверяли развитие гусениц.

Результаты показали:

• Гусеницы, лишённые только одного из двух ферментов, всё ещё могли выживать на растениях с высокими концентрациями защитных веществ, хотя их рост был ограничен.
• Гусеницы, у которых были «выключены» оба гена, больше не могли расти и выживать на своих естественных кормовых растениях.

Таким образом, для гусениц капустной белянки важны оба фермента — NSP и MA — для обезвреживания «горчичной бомбы». Поскольку NSP и MA различаются по своей способности детоксицировать разные глюкозинолаты, гусеницы могут тонко настраивать активность этих генов в зависимости от профиля глюкозинолатов в растении-хозяине.

«Используя целый арсенал механизмов обнаружения, регуляции и детоксикации, капустные белянки точно подстраивают то, как они обезвреживают разные «горчичные бомбы» из спектра своих растений-хозяев, демонстрируя чувствительность как к профилю глюкозинолатов, так и к их активации», — говорит Хайко Фогель.

Исследование показывает, что оба фермента позволяют гусеницам гибко реагировать на химическую защиту растений, что критически важно для адаптации к широкому спектру крестоцветных.

«Мы считаем, что наша работа подчёркивает важность появления таких генов для растительноядных насекомых в «гонке вооружений» с химической защитой их растений-хозяев. Конкуренция включает в себя не просто наличие защитных соединений и механизмов детоксикации. Регуляция и активация детоксикационных ферментов также представляют собой ключевые компоненты сложных взаимодействий и объясняют эволюционный успех этих насекомых-вредителей», — резюмирует Ю Окамура.