Сигналы сдерживания: Табачные растения сообщают о своей обороноспособности атакующим цикадкам

После повреждения травоядными насекомыми растения производят жасмоновую кислоту — гормон, активирующий защитные реакции. Учёные выяснили, что цикадки могут оценивать, готовы ли растения табака к защите при атаке. Если жасмонатная сигнализация активирована, цикадки прекращают питание и проверяют другие растения. Если гормональная сигнальная система не работает, травоядные начинают атаку. В полевых экспериментах цикадки выступили как «ищейки», обнаруживая растения, скрытые в естественных популяциях, которые имеют природный дефект в жасмонатной сигнализации.

Empoasca sp. не является типичным вредителем дикого табака (Nicotiana attenuata). Однако, когда это растение растёт в естественной среде в Северной Америке, на него нападают гусеницы табачного бражника (Manduca sexta). Этот специализированный насекомый устойчив к токсичному никотину, который растение производит для защиты. Когда исследователи из Института химической экологии Макса Планка использовали в полевых экспериментах определённые трансгенные растения, они заметили, что эти растения были сильно заражены цикадками по сравнению с растениями дикого типа. В этих трансгенных растениях был «выключен» определённый ген lox3, необходимый для производства жасмоновой кислоты. Из-за неспособности производить жасмонаты растения не могли активировать защиту, так как их гормональные сигнальные каскады были прерваны. Результат этого дефицита был ожидаемым: сильное заражение гусеницами бражника. Однако появление цикадок стало неожиданностью, так как эти насекомые обычно не входят в сообщество травоядных этого растения. Учёные предположили, что эти насекомые, обычные вредители сельскохозяйственных культур, могут оценивать защитный потенциал растения-хозяина до того, как растение активирует производство защитных веществ.

Для проверки гипотезы учёные создали различные трансгенные линии табака и использовали их в полевых экспериментах. В шести линиях была заблокирована экспрессия специфических ферментов, участвующих в производстве жасмонатов, или ингибировано восприятие жасмонатного сигнала, а в трёх линиях было прервано производство токсинов, индуцируемых жасмонатами. Отдельные гены были «выключены» с помощью техники сайленсинга генов с инвертированными повторами. Все линии вместе с контрольными растениями выращивались в естественной среде обитания — пустыне Большого Бассейна в Юте, США.

Цикадок привлекала люцерна (Medicago sativa), одно из их любимых растений-хозяев. Когда растения люцерны были сильно заражены, их срезали, чтобы мотивировать цикадок переместиться на соседнее поле с табаком. Фиксировались следующие параметры: распространённость и интенсивность повреждения листьев на отдельных линиях и контрольных растениях, соответствующие уровни жасмонатов, концентрация и наличие защитных токсинов и, наконец, выделение специфических летучих веществ для косвенного отпугивания травоядных. Эксперименты в теплице в Йене, Германия, были предназначены для количественной оценки повреждений от Empoasca на трансгенных растениях, чья неспособность производить жасмонаты была компенсирована нанесением жасмонатов на их листья. «Мы смогли показать, что цикадки предпочитали питаться растениями, неспособными к жасмонатной сигнализации. Наличие других защитных веществ, таких как токсин никотин или ингибиторы пищеварения, было совершенно неважно», — говорит Марио Калленбах, проводивший эти эксперименты.

Результаты показали, что цикадки Empoasca выбирают растения для питания, исследуя листья своими ротовыми частями, чтобы выяснить, готовы ли растения к защите. Точнее: функционирует ли (или присутствует ли) гормональная система на основе жасмонатов, ответственная за сигнализацию о повреждении и инициацию защиты. Если это так, насекомое покидает растение и не наносит дальнейшего ущерба. Если жасмонатная сигнализация нарушена, растение выбирается для питания. Интересно, что, подобно простагландинам, жасмонаты относятся к семейству оксигенированных производных жирных кислот, а поведение цикадок напоминает поведение кровососущих комаров, которые исследуют функциональные или нефункциональные защитные сигналы своих потенциальных хозяев, регулируемые простагландинами, после укуса, но до начала приёма крови. Однако до сих пор неясно, что именно обнаруживают цикадки при зондировании растений.

Таким образом, повреждения от Empoasca на отдельных растениях в естественных популяциях могут быть индикатором естественной генетической изменчивости в защитных реакциях. Поэтому учёные изучили три разные естественные популяции Nicotiana attenuata — всего около 700 растений — в течение двух полевых сезонов. Они исследовали повреждения от Empoasca на каждом отдельном растении и нашли шесть заражённых растений. Эти растения обработали оральными выделениями специалиста по табаку Manduca sexta (табачного бражника), что обычно запускает жасмонатную сигнализацию. В результате эти растения показали значительно более низкое накопление жасмонатов по сравнению с незаражёнными контрольными растениями. Семена этих растений проросли, и потомство снова протестировали — с тем же результатом. «Empoasca определила для нас ценные природные мутанты для дальнейших экспериментов», — говорит руководитель исследования Иэн Болдуин.

Поскольку Nicotiana attenuata использует пожары для синхронизации прорастания из долгоживущего банка семян, чтобы расти в плотных популяциях, характеризующихся интенсивной внутривидовой конкуренцией и переменным давлением травоядных, учёные предполагают, что компромиссы между ростом и защитой для этого вида растений, вероятно, серьёзны. Именно эти компромиссы, вероятно, создают давление отбора для поддержания этих мутантов по JA-сигналингу в естественных популяциях — несмотря на явные недостатки ослабленной защиты. «Как только мы завершим секвенирование генома Nicotiana attenuata, мы охарактеризуем эти мутанты JA-сигналинга более подробно и с нетерпением ждём, какие генетические вариации мы найдём», — продолжил Иэн Болдуин.

Дикое табачное растение Nicotiana attenuata является модельной системой, изучаемой в Отделе молекулярной экологии для тщательного анализа экологических взаимодействий. Изучая, как это растение адаптировалось к жизни в своей экологической нише, учёные надеются найти способы повышения экологической изощрённости сельскохозяйственных культур и разработки менее затратных и более устойчивых сельскохозяйственных практик. Данное исследование показывает, что использование трансгенных растений в полевых экспериментах имеет решающее значение для получения новых знаний о сложности химических и экологических взаимодействий.