Химический сигнал в растениях снижает рост в пользу защиты
В новом исследовании в PNAS международная команда, включая учёных из Института химической экологии Макса Планка, показала, что растения Arabidopsis thaliana при атаке травоядными производят бета-циклоцитраль. Этот летучий сигнал ингибирует метилэритритол 4-фосфатный (MEP) путь, критически важный для процессов роста, например, производства пигментов для фотосинтеза. Помимо подавления MEP-пути, бета-циклоцитраль также усиливает защиту растений от вредителей. Поскольку MEP-путь есть только у растений и микроорганизмов, но не у животных, знание о сигнальной молекуле, подобной бета-циклоцитрали, открывает новые возможности для разработки гербицидов или противомикробных агентов, блокирующих этот путь.
Компромисс между защитой и ростом
Растениям приходится распределять ограниченные ресурсы между защитой от врагов и ростом. Хорошо известно, что при атаке насекомых растения усиливают защиту, производя токсины или ингибиторы пищеварительных ферментов. Однако о влиянии травоядных на процессы роста известно меньше. "Мы хотели исследовать, как поедание влияет на фотосинтез и MEP-путь — путь, создающий метаболиты для роста, которые напрямую поставляются из фотосинтеза", — говорит первый автор Сирша Митра.
"MEP-путь создаёт строительные блоки для растительных изопреноидов или терпеноидов — огромного семейства метаболитов, участвующих в росте, защите и сигналинге", — добавляет Джонатан Гершензон.
Бета-циклоцитраль активирует защиту и ингибирует рост
Исследователи продемонстрировали, что растения Arabidopsis thaliana, которыми кормили гусениц хлопковой совки, усиливали защиту, одновременно снижая процессы роста.
С помощью методов молекулярной биологии, аналитической химии и биотестов с гусеницами учёные выяснили, что за этот сдвиг ресурсов ответственен специфический летучий компонент — бета-циклоцитраль. Он образуется при расщеплении бета-каротина активной формой кислорода. Бета-циклоцитраль действует как химический сигнал для усиления защиты и одновременно снижает образование соединений в MEP-пути, напрямую ингибируя ключевой фермент этого пути.
"Особенно важным был эксперимент с воздействием на растения меченого углекислого газа (13CO2) вместо обычного (12CO2). Это позволило отследить, как меняется метаболический поток в MEP-пути, когда растения переключаются в защитный режим после атаки и бета-циклоцитраль замедляет MEP-путь", — поясняет Луранс Райт.
Гусеницы, питавшиеся растениями, обработанными бета-циклоцитралем, демонстрировали сниженный рост по сравнению с теми, кто питался необработанными растениями.
Потенциальная польза в сельском хозяйстве и медицине
Бета-циклоцитральная сигнализация — механизм, точно контролирующий сдвиг ресурсов от роста к защите. Бета-циклоцитраль или его более стабильный производный можно было бы применять к сельскохозяйственным культурам для стимуляции защиты во время вспышки вредителей.
"Поскольку MEP-путь есть у всех растений и многих микроорганизмов, но не у животных, он представляет особый интерес для разработки гербицидов, а также препаратов с противомикробной активностью", — говорит Джонатан Гершензон.
Дальнейшие исследования в Индии будут изучать, может ли бета-циклоцитраль повысить устойчивость к насекомым у культур (например, томатов) и как он взаимодействует с другими известными защитными сигналами.