Как растения производят защитные токсины, не вредя себе
Растения производят токсичные вещества для защиты от травоядных. Учёные из Института химической экологии Макса Планка в Йене и Мюнстерского университета (Германия) детально описали биосинтез и точный механизм действия важной группы защитных веществ — дитерпеновых гликозидов — у диких табачных растений. Эти вещества атакуют определённые компоненты клеточной мембраны. Чтобы защитить себя от собственных токсинов, табачные растения запасают их в нетоксичной форме, синтезируемой особым образом. Автотоксичность и защита от неё, по-видимому, играют в эволюции защитных систем растений большую роль, чем считалось ранее. Исследование опубликовано в Science.
Автотоксичность и защита
Для экспериментов выбрали дитерпеновые гликозиды из растений Nicotiana attenuata (дикий табак). Эти вещества в высоких концентрациях содержатся в листьях. Учёные создали растения, неспособные производить два белка, участвующих в биосинтезе дитерпеновых гликозидов. Эти растения показали явные симптомы самоотравления: они болели, плохо росли и не могли размножаться. Оказалось, что были атакованы сфинголипиды — компоненты клеточной мембраны, присутствующие у всех животных и растений.
Мишень — клеточная мембрана
Исследователи проверили, может ли метаболизм сфинголипидов быть мишенью дитерпеновых гликозидов. Гусеницы Manduca sexta (табачный бражник), питавшиеся растениями без этих токсинов, росли значительно лучше, чем те, что ели контрольные растения с токсинами.
Анализ фекалий (frass) гусениц, потреблявших дитерпеновые гликозиды, показал, что расщепление токсинов в пищеварительном тракте личинок идёт практически в обратном порядке по сравнению с их синтезом в растении.
Растения предотвращают самоотравление, запасая защитные вещества в нетоксичной форме. Однако когда насекомые поедают растение, часть нетоксичной молекулы отщепляется, и химическое соединение активируется ("приводится в боевую готовность").
"Интересно, что и в случае растений с неполным биосинтезом дитерпеновых гликозидов, и у питающихся гусениц мишенью токсинов является метаболизм сфинголипидов", — говорит первый автор Цзяньцай Ли.
Сфинголипиды — медиаторы многих физиологических процессов. Поэтому влияние дитерпеновых гликозидов на их метаболизм так важно.
"Дитерпеновые гликозиды и их производные могут иметь широкие защитные функции против многих сельскохозяйственных вредителей и патогенных грибов. В то же время многие человеческие болезни, такие как диабет, рак и некоторые нейродегенеративные заболевания, также связаны с повышенным метаболизмом сфинголипидов", — отмечает Шуцин Сюй из Мюнстерского университета.
"Фрассомика" — новый мощный инструмент
Анализ фекалий личинок стал ключом к успеху. Учёные называют этот новый подход "фрассомикой" (frassomics): комбинация frass (фекалии личинок) и метаболомики — анализа всех метаболитов в организме.
"Из этой работы мы поняли, что фрассомика может быть очень мощным исследовательским инструментом. Анализ фекалий личинок может дать метаболические подсказки о том, как то, что производит один организм, метаболизируется организмами-потребителями", — говорит Ян Болдуин.
Учёные планируют глубже изучить "пищеварительные дуэты" между растениями и насекомыми, чтобы лучше понять экологические взаимодействия между растениями, насекомыми и микроорганизмами.