Антагонистические взаимодействия защитных соединений растений

Комбинированная защита разными химическими веществами может приводить к негативному взаимодействию и взаимной детоксикации. К такому выводу пришли исследователи из Института химической экологии Макса Планка в новом исследовании на диком табаке Nicotiana attenuata и одном из его специализированных вредителей. Химический анализ экскрементов (frass) показал, что личинки табачного бражника Manduca sexta способны отщеплять компоненты одного защитного вещества и использовать их для детоксикации другого. Однако растения табака также выработали контрстратегию, чтобы минимизировать взаимную детоксикацию своих защитных средств: они избегают одновременного производства двух веществ, участвующих в детоксикации, в высоких концентрациях.

Исследователи обнаружили этот неожиданный эффект, изучая защитные механизмы дикого табака. Они показали, что личинки Manduca sexta способны использовать две разные защиты растения, чтобы нейтрализовать вредное действие друг друга.

Ключевые выводы из анализа frass:

  • В экскрементах гусениц были обнаружены ранее неизвестные химические вещества, имеющие структурные черты двух растительных защитных соединений.
  • Сравнительный масс-спектрометрический анализ метаболитов растения и frass гусениц показал, что личинки способны преобразовывать два известных защитных вещества после поедания листовой ткани:
    • Хлорогеновую кислоту (фенольный эфир кофейной и хинной кислот).
    • 17-гидроксигераниллиналоловые дитерпеновые гликозиды (сокращенно HGL-DTGs).
  • Присоединение хлорогеновой кислоты к определенным сахарам молекул HGL-DTG делает оба исходных соединения менее эффективными против травоядных.

Подтверждение экспериментами:

  • Эксперименты по кормлению гусениц листьями генетически модифицированных растений (с отключенной одной из защит) подтвердили происхождение соединений в frass из хлорогеновых кислот и HGL-DTGs.
  • Гусеницы, питавшиеся листьями, неспособными производить любую из двух защит, росли лучше, чем те, у которых была инактивирована только выработка HGL-DTGs.

Контрстратегия растений:

  • Изучение 183 природных образцов (natural accessions) Nicotiana attenuata из разных мест обитания показало, что растения, по-видимому, отбирают соединения, необходимые для адаптации к конкретной среде, и подавляют выработку других.
  • Такая химическая картина может помогать им в некоторой степени избегать взаимной детоксикации.

Значение и перспективы:

  • Исследование — наглядный пример эволюции защит растений и процессов адаптации специализированного насекомого-вредителя.
  • Впервые показано, что комбинированная защита может быть «саботирована» травоядным так, что два активных соединения детоксифицируют друг друга путем ферментативного превращения после попадания в организм.
  • Для выяснения стратегий детоксикации насекомых авторы используют новый подход — frassomics, позволяющий описать химическое превращение растительных метаболитов в организме насекомого через анализ их экскрементов.
  • Ученые ожидают обнаружить множество подобных примеров благодаря прогрессу в масс-спектрометрии, расширению спектральных баз данных и новым алгоритмам идентификации соединений.
  • Следующий шаг — выяснить, какой именно фермент личинок Manduca sexta используется для взаимной детоксикации защит растений, и детально изучить его эволюционное происхождение.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.