Чому самозахист рослин від шкідників не завжди спрацьовує - AgroXXI
Еволюційний танець рятує шкідників, але завдає шкоди врожаю
Цукор відомий як накопичувач енергії в рослинах, яким також не проти поласувати комахи. Але якщо вірити вченим з Інституту хімічної екології Макса Планка, цукри також можуть бути частиною смертельно небезпечної гри між рослиною та комахою. Злаки і, зокрема, такі культурні рослини, як кукурудза використовують цукру у хімічних сполуках під назвою бензоксазини, які дозволяють їм захиститися від отруєння власними захисними засобами. Отже, коли комахи починають годуватись, рослинний фермент видаляє цукор і задіює активний токсин.
Вчені з Інституту Макса Планка нарешті з'ясували, чому ця оборонна стратегія не працює проти личинок совки. Коли дослідники вивчили екскременти цих комах-шкідників, які завдають величезної шкоди врожаю, вони виявили токсин, який все ще пов'язаний з цукром. Після того, як рослина видаляє цукор, комаха знову підключає його, але в протилежній стереохімічній конфігурації. На відміну від вихідної рослинної сполуки, нова речовина більше не може бути розщеплена рослинним ферментом, щоб генерувати токсин. Прикріплення цукру у протилежній конфігурації виявилося дуже простою, але ефективною стратегією детоксикації, яка пояснює успіх різних видів Spodoptera.
Рослини, як правило, захищаються від поїдання комахами, виробляючи токсичні або відлякуючі речовини. Тим не менш, багато комах пристосувалися до захисту рослин і цілком можуть харчуватися рослинними тканинами, що містять токсини або відлякуючі речовини, без очікуваних негативних наслідків. Комахи долаютьзахист рослин за допомогою швидкої екскреції, поглинання або детоксикації токсичних речовин. Мало того, що подібні адаптації сприяли появі величезної різноманітності видів комах у процесі еволюції, вони також є причиною успіху сільськогосподарських шкідників, що спеціалізуються на певних сільськогосподарських культурах і щорічно ставить під загрозу врожаї.
Враховуючи ту кількість кукурудзи, яка вирощується по всьому світу, не дивно, що ця культура має безліч комах-шкідників, у тому числі й личинки роду Spodoptera. У Північній та Південній Америці, кукурудзяна листова совка (Spodoptera frugiperda) є серйозним шкідником кукурудзи і завдає значної шкоди. Як і всі зернові та інші злакові, кукурудза самостійно захищається за допомогою хімії. Листя молодих рослин кукурудзи містить велику кількість бензоксазинів, відомих під назвою (2R)-DIMBOA-глюкозид. Ця рослина також виробляє фермент, що активізується в кишечнику гусениць, який розщеплює DIMBOA-глюкозид і вивільняє цукор. Вільний DIMBOA, що утворюється в результаті подібної реакції, вбиває багатьох комах або зупиняє їх зростання, але абсолютно безпечний для кукурудзяної листової совки.
Група дослідників на чолі з Даніелем Гіддінгсом Вассао та Джонатаном Гершензоном з кафедри біохімії в Інституті хімічної екології Макса Планка в Єні, Німеччина, нещодавно виявили у цих комах-шкідників раніше невідому стратегію детоксикації. Гусениці кукурудзяної совки та два інші види роду Spodoptera використовують кишковий фермент, який каталізує приєднання цукру до нетоксичного DIMBOA. Група цукру приєднується назад у протилежній орієнтації (формуючи (2S)-DIMBOA-глюкозид), так що рослинному ферменту невдається видалити його вдруге. Вчені дізналися про цей хитрий механізм, коли аналізували екскременти пильщика. Сучасні та дуже чутливі методи мас-спектрометрії та ядерної магнітно-резонансної спектроскопії показали, що бензоксазини, які були присутні в екскрементах личинок, більше не ідентичні речовині з листя рослини.
«Ми були здивовані, що різниця між метаболітом комах та вихідною рослинною сполукою полягала лише у простій стереохімічній конфігурації одного атома. Однак ця кардинальна зміна є причиною того, що метаболіт комах більше не реагує на фермент рослин та токсичний DIMBOA більше не може бути сформований. Елегантність такого механізму полягає в його простоті, яка при цьому рятує комах від отруєння», — пояснює Феліпе Вутерс, який виконував в інституті експерименти для своєї докторської дисертації.
Як і його колега Даніель Гіддінгс Вассао, Феліпе Вутерс родом із Бразилії, де кукурудзяна совка завдавала серйозних збитків урожаю кукурудзи до введення трансгенної Bt-кукурудзи. Згідно з доповіддю агентства новин Рейтер, цього літа бразильські фермери скаржаться, що Bt-токсин більше не захищає рослини від совки. Зростаюча стійкість комах-шкідників до Bt-токсин є ще однією причиною глибше зрозуміти природні механізми пристосування комах до захисту рослин.
"Якщо нам вдасться краще розібратися в тому, наскільки цей кишковий фермент допомагає совці залишатися таким небезпечним для кукурудзи шкідником, то ми зможемо використовувати це у своїх інтересах, зруйнувавши цей фермент комах і відновивши повноцінний оборонний потенціал кукурудзи від її шкідників", - зазначає Деніел Гіддінг. Васса.
Взаємодії рослин і комах включають дужескладні та динамічні обмінні процеси. Найчастіше з уваги упускається важливість тривимірної структури молекул і стереоспецифічність хімічних реакцій.
«Хіральність сполук (властивість молекули не поєднуватись у просторі зі своїм дзеркальним відображенням) є ключовою для цього випадку, – пояснює глава Факультету біохімії, Джонатан Гершензон. — Ці комахи можуть багато дати людям для розуміння цієї важливої хімічної концепції, ідеї, що з'єднання та його дзеркальне відображення різні, хоча атоми і пов'язані так само».
Термін «хіральність» походить від грецького слова, що означає руку, і відповідає анатомічному принципу, а саме дзеркальній взаємодії наших лівої та правої рук. Те, що дві дзеркальні молекули можуть мати зовсім різний спосіб дій, стало широко відомо внаслідок трагічного впливу седативного препарату Contergan на людські ембріони на початку 1960-х років. Як ліки, хімічна речовина талідомід було доступно у двох версіях, (S)-і (R)-талідомід. Коли вчені спробували з'ясувати фатальні наслідки впливу препарату, при прийомі його вагітними жінками, вони виявили, що тільки (S)-талідомід викликав появу вроджених дефектів, в той час як (R)-талідомід володів лише очікуваними заспокійливими та протинудними ефектами.
Тепер вчені з Інституту Макса Планка хочуть ідентифікувати ферменти та гени, що кодують, які відповідають за процес детоксикації у кукурудзяної совки. Вони також планують зайнятися пошуком еквівалентних ферментів у родинних видів та порівняти їх. DIMBOA є лише одним із величезної кількості різних токсичних бензоксазинів, присутніх у злаках. Якщо дослідникам вдасться отримати повніше уявлення у тому, якбензоксазини метаболізуються в комах-шкідниках, то вони зможуть розробляти більш ефективні стратегії, що дозволяють зменшити шкоду, що завдається шкідниками.