Когда гусеницы покусывают всходы кукурузы, они защищаются, выделяя ароматические соединения, привлекающие паразитических ос, личинки которых поедают гусеницу, но не все сорта кукурузы одинаково эффективно подают химический сигнал о помощи.
Исследователи из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге в Германии, Корнельского университета и Института Бойса Томпсона (BTI) использовали 26 сортов кукурузы, чтобы определить гены, ответственные за отправку этого «Помогите мне!» сигнал для ос-паразитов. Их исследование, опубликованное в The Plant Cell, заполняет несколько пробелов в наших знаниях о ферментах, которые генерируют эти ароматические соединения, называемые терпенами. Выводя наиболее эффективные гены для производства терпенов, селекционеры могут вывести сорта кукурузы, которые лучше защищают от атак гусениц.
«Это исследование очень хорошо демонстрирует, как сотрудничество между учеными с различными областями знаний, от геномики до химии малых молекул, может привести к новому пониманию защитного метаболизма растений», - сказал профессор BTI Георг Яндер, соавтор бумаги.
Нежные, молодые проростки кукурузы не имеют толстых стеблей и волокнистых листьев, чтобы защитить себя, поэтому гусеницы, в том числе хлопковая листовертка, свекловичная совка и другие вредители, могут нанести огромный ущерб фермерскому полю. После того, как личинки повреждают листья проростков путем питания, растения начинают синтезировать смесь терпенов, обладающих сильным ароматом. Паразитические осы учатся распознавать эти химические вещества как запах грызущих личинок и спускаются, чтобы отложить яйца в телах гусениц. После того, как молодая оса смертельно поедает внутренние органы гусеницы, она выходит из тела. В полевых экспериментах целенаправленное высвобождение терпенов вокруг растений кукурузы снижает ущерб от голодных гусениц.
Аннет Рихтер, ведущий автор статьи, а ныне научный сотрудник лаборатории Джандера в BTI, протестировала различные сорта кукурузы и обнаружила, что они производят терпены в различных смесях и количествах для защиты. Она выполнила эту работу в рамках своего докторского исследования под руководством старшего автора Йорга Дегенхардта в Университете Мартина Лютера. С помощью ученых из лаборатории Эда Баклера, профессора Корнелла и ученого сельскохозяйственной исследовательской станции Министерства сельского хозяйства США, исследователи изучили геномы 26 сортов кукурузы, чтобы найти генетические связи с производством терпенов, и сопоставили их с их расположением на хромосомах.
Используя гены из этих хромосомных областей, Рихтер определил три новых фермента, которые функционируют в путях синтеза терпенов для производства линалоола, неролидола и других терпенов. Помимо того, что он полезен для защиты кукурузы, линалоол является распространенным ингредиентом в парфюмерии и косметике, потому что он имеет цветочный цитрусовый аромат.
«С помощью этой информации мы провели картографический анализ, чтобы выяснить, какой ген важен для какой летучей мыши», - сказал Рихтер. «Интересно знать, где локализованы эти гены, потому что тогда вы сможете скрестить этот сорт с линиями, которые не способны их производить».
Теперь, когда вопрос о том, какие гены отвечают за какие терпены, Рихтер перейдет к изучению того, как эти гены регулируются. Обладая лучшим пониманием генетики и регуляции производства терпенов, исследователи могут использовать селекцию для улучшения этих признаков в разных линиях, чтобы создать кукурузу, более устойчивую к гусеницам.
"Цель состоит в том, чтобы улучшить изменчивые сигналы их естественной защиты, и теперь у заводчиков есть возможность использовать эти защитные гены". - сказал Рихтер.