Статистический анализ метаболитов растений позволяет проверить теории защиты растений

Ученые из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) и Института молекулярной биологии растений CNRS/Университета Страсбурга (Франция) впервые проверили две давние гипотезы о защите растений, используя табак Nicotiana attenuata и его близких родственников.

Две конкурирующие теории

Существуют две основные теории о регуляции защитных веществ у растений:

  • Теория оптимальной защиты: растения адаптируют метаболизм целенаправленно, чтобы производить эффективные против атакующих соединения.
  • Теория "движущейся мишени": изменения метаболизма случайны и непредсказуемы для вредителей, что мешает им адаптироваться.

Методология исследования

Ученые подвергли растения атаке двух видов травоядных:

  • Специалист: гусеницы табачного бражника (Manduca sexta), адаптированные к пасленовым.
  • Генералист: гусеницы хлопковой совки (Spodoptera littoralis), питающиеся многими растениями.

Для анализа реакции растений использовали:

  1. Масс-спектрометрию для обширных измерений известных и неизвестных метаболитов.
  2. Статистические меры, производные от теории информации, для оценки данных.

Ключевые результаты

  • Метаболические изменения у Nicotiana attenuata при атаке обоих видов гусениц оказались высоко направленными. Это подтверждает теорию оптимальной защиты: растения целенаправленно реорганизуют метаболизм для образования защитных веществ.
  • Статистические индексы для профилей метаболизма, вызванных питанием специалиста и генералиста, в значительной степени совпадали, несмотря на разное пищевое поведение вредителей.
  • Направленность метаболического ответа контролируется в основном небольшими модификациями в каскаде сигналов растительных гормонов, в частности жасмоновой кислоты. Это было показано в сравнительных экспериментах с генетически модифицированными растениями, разными популяциями одного вида и близкородственными видами.

Значение и перспективы

Исследование предоставляет вычислительный подход, сочетающий инновации в вычислительной метаболомике и статистические концепции теории информации, для беспристрастного и целостного анализа метаболизма растений. В дальнейшем ученые планируют применить этот подход для изучения влияния циркадных и суточных ритмов на метаболизм.

Публикация: Science Advances.