Растения перерабатывают специализированные метаболиты для питания первичного метаболизма

Учёные из RIKEN обнаружили, что растения способны повторно использовать специализированные метаболиты и расщеплять их для восполнения питательных веществ, необходимых для основных метаболических процессов. Деактивация фермента, ответственного за этот механизм, в будущем может улучшить производство полезных для здоровья химических веществ в сельскохозяйственных культурах.

Помимо производства сахаров и других молекул, непосредственно участвующих в их росте и развитии, растения синтезируют ряд вторичных метаболитов — специализированных молекул, которые помогают им адаптироваться к среде и взаимодействовать с экосистемой, например, обеспечивая защиту от травоядных животных. Учёные давно задавались вопросом, могут ли питательные вещества, использованные для синтеза вторичных метаболитов, высвобождаться и повторно использоваться в первичном метаболизме.

Команда под руководством Масами Хираи из RIKEN Center for Sustainable Resource Science исследовала этот вопрос, изучая, может ли резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) использовать вторичный метаболит глюкозинолат в качестве источника серы. Глюкозинолаты частично ответственны за остроту таких овощей, как горчица и хрен, а также за питательную ценность и пользу для здоровья брокколи и брюссельской капусты.

Команда выращивала растения на средах без серы, с различным количеством серы или с добавлением глюкозинолата. Растения, выращенные без серы, имели серьёзные дефекты роста, тогда как растения, выращенные с глюкозинолатом, демонстрировали нормальный рост. Это говорит о том, что растения использовали сульфатную группу в предоставленном глюкозинолате в качестве альтернативного источника серы.

Измерения концентрации серы показали, что проростки накопили больше серы, чем растения, выращенные с аналогичным количеством сульфата. Это заставило команду предположить, что растения также используют другие атомы серы (не входящие в сульфатную группу) из глюкозинолата.

Для проверки этого они приготовили глюкозинолаты, в которых атом серы, образующий ключевую связь в молекуле, был более тяжёлым изотопом, чтобы можно было отследить его в последующих метаболических процессах. Команда обнаружила, что меченая сера составляла 28–42% различных серосодержащих аминокислот в проростках, что ясно демонстрирует расщепление предоставленного глюкозинолата и его повторное включение в первичный метаболизм.

«Я был очень взволнован, увидев это, — говорит ведущий автор исследования Рёске Сугияма. — Поскольку потенциальная роль глюкозинолата как резервуара серы обсуждалась на основе сульфатной группы, мы были удивлены, что другой, "общий" атом серы также доступен в качестве источника. Это подтвердило наличие системного пути расщепления в растениях».

«Хотя потенциальная переработка вторичных метаболитов обсуждалась десятилетиями, не было прямых доказательств, показывающих её физиологическое преимущество, — добавляет Сугияма. — Наши результаты показывают, что важный вторичный метаболит перерабатывается растениями и, таким образом, может служить резервуаром питательных веществ для первичного метаболизма».