Химический язык растений зависит от контекста

Учёные из Института химической экологии Макса Планка (Йена, Германия) изучили экологическую функцию линалоола — летучего органического соединения — у диких растений табака Nicotiana attenuata. Они обнаружили ген, ответственный за синтез и выделение линалоола, которые сильно варьируют у растений одного вида. Самки табачного бражника (Manduca sexta) предпочитают откладывать яйца на растения с более высоким естественным содержанием линалоола. При этом, чем больше линалоола выделяло растение, тем больше яиц и только что вылупившихся личинок поедали хищные клопы. Поведенческие тесты в усложняющейся среде показали, что эффекты линалоола весьма изменчивы и зависят от природного окружения и генетического состава растения. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Взаимодействия между табаком, табачным бражником и хищными клопами

Линалоол — это летучее органическое соединение растений, опосредующее различные экологические взаимодействия с насекомыми. Известно, что в растениях табака он может привлекать хищных клопов Geocoris, указывая им путь к добыче: яйцам или личинкам табачного бражника. Однако, как компонент цветочного аромата, линалоол также привлекателен для взрослых бражников и влияет на решение оплодотворённых самок отложить яйца на растение.

Генетический анализ синтеза линалоола

Исследователи наблюдали корреляцию между скоростью поедания яиц Manduca sexta клопами Geocoris и количеством линалоола, производимого соответствующими растениями. Такой корреляции не наблюдалось для пяти других схожих органических соединений, выделяемых табаком. Это указывает, что линалоол действительно функционирует как химический «крик о помощи» растения, привлекая хищных клопов.

Учёные смогли идентифицировать фермент, регулирующий синтез линалоола у Nicotiana attenuata, и определить его генетическую основу. Для этого они скрестили растения из популяций в Аризоне с высоким производством линалоола с растениями из Юты, производившими его значительно меньше. Этот подход (прямая генетика) позволил идентифицировать гены, лежащие в основе естественной вариации синтеза линалоола.

Зеркальные изображения молекул и их разные эффекты

Линалоол существует в двух разных формах — энантиомерах: (R)-(–)-линалоол и (S)-(+)-линалоол. Их трёхмерные структуры являются зеркальными отражениями друг друга. Хотя в естественных популяциях Nicotiana attenuata в Юте и Аризоне был обнаружен только (S)-(+)-линалоол, в экспериментах также использовались растения, производившие его зеркальное отражение — (R)-(–)-линалоол. Оба энантиомера воспринимаются бражниками как два разных соединения, что приводит к разным эффектам на их поведение.

Удивительно, что откладка яиц лишь частично зависела от манипулированного производства двух энантиомеров линалоола. Генетический фон растений (было ли модифицировано растение из Юты или Аризоны) оказывал гораздо большее влияние на предпочтения бабочек. Различия в реакции бабочек на выделение линалоола исчезали по мере усложнения экспериментальной среды.

Значение сигналов в контексте

Первоначально авторы ожидали, что химическое соединение вызывает определённое поведение. Однако исследование показало, что бабочки обращают внимание на множество различных характеристик растений при выборе места для питания или откладки яиц, интегрируя эту информацию. Таким образом, различия в других свойствах растений, а также наличие альтернативных растений и их характеристики, вероятно, определяют важность любого отдельного сигнала — в данном случае, линалоола.

Более глубокое понимание контекстно-зависимой защиты растений от травоядных может помочь преодолеть проблемы стандартизированного промышленного сельского хозяйства, такие как эволюция устойчивости к commonly used pesticides.