Как кукуруза создаёт антибиотический коктейль

Кукуруза (Zea mays) производит множество антибиотиков под названием зеалексины. Хотя учёные идентифицировали не менее 15 зеалексинов, они подозревают, что их существует ещё больше. Эти соединения производятся всеми сортами кукурузы и защищают её от грибковых и микробных инфекций.

Ранее считалось, что для синтеза зеалексинов требуется более десятка ферментов, работающих по чётким линейным путям. Однако новое исследование показало, что для превращения предшественников в разнообразные структуры зеалексинов достаточно всего нескольких ферментов.

Ключевые особенности пути синтеза:

• Проще, чем думали: Биосинтетический путь имеет "песочную" форму — множество предшественников на входе и множество различных продуктов на выходе, а не классическая схема "один фермент — один продукт".
• Роль универсальных ферментов: На каждом этапе путь использует "ловкие" ферменты — терпенсинтазы и цитохромы P450, — которые катализируют образование множества продуктов, что и приводит к созданию целого коктейля антибиотиков.
• Потенциал для биотехнологий: Путь синтеза зеалексинов хорошо подходит для переноса в другие растения, так как его ферменты способны преобразовывать разнообразные терпеновые субстраты. Перенос всего четырёх генов, кодирующих эти ферменты, в растение-кандидат для биотоплива сорго (Sorghum bicolor), позволил бы производить не менее 15 зеалексинов.

Методы исследования и важность:

Для идентификации ферментов учёные использовали комплекс методов: скрининг сотен линий кукурузы, анализ экспрессии генов, протеомику, генное редактирование (нокаут четырёх критических генов пути) и трансгенез (перенос генов в табак Nicotiana benthamiana). Гены были синтезированы в рамках Community Science Program Объединённого института генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE).

Эксперименты подтвердили критическую роль зеалексинов для здоровья кукурузы: инфекции грибком Fusarium graminearum и бактерией Pantoea stewartii были значительно более серьёзными у растений с нокаутированным путём синтеза зеалексинов.

Выводы:

Как отмечает старший автор исследования Алиса Хаффакер, биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего, путь синтеза зеалексинов представляет собой критически важную, но ранее недооценённую биохимическую систему защиты кукурузы. Эти открытия могут помочь в создании более устойчивых растений для биоэнергетики в будущем.