Растения производят токсичные вещества для защиты от травоядных. В новом исследовании ученые из Института химической экологии им. Макса Планка в Йене и Мюнстерского университета в Германии смогли подробно описать биосинтез и точный механизм действия важной группы защитных веществ, дитерпеновых гликозидов, в организме человека. дикорастущие растения табака. Дитерпеновые гликозиды позволяют растениям отбиваться от травоядных. Исследование показывает, что эти растительные химические вещества атакуют определенные части клеточной мембраны. Чтобы защитить себя от собственных токсинов и предотвратить повреждение своих клеточных мембран, растения табака хранят эти вещества в нетоксичной форме, которая синтезируется особым образом. Автотоксичность и защита от нее, по-видимому, играют большую роль в эволюции защитных сил растений, чем считалось ранее.
Многие растения производят химическую защиту, чтобы защитить себя от поедания. До сих пор мало что известно о том, что делает эти вещества токсичными для потребителей. Исследователи из Института химической экологии им. Макса Планка и Мюнстерского университета изучили, как растения вырабатывают токсины и сохраняют их в своих тканях, не причиняя себе вреда. В частности, они хотели знать, имеют ли механизмы аутотоксичности и ее предотвращения сходные механизмы с токсическими характеристиками, обеспечивающими защиту от травоядных.
Аутотоксичность и защита
Для своих экспериментов они выбрали дитерпеновые гликозиды из растений Nicotiana attenuata, дикого вида табака. «Эти вещества встречаются в очень высоких концентрациях в листьях табачных растений. Но мы понятия не имели, почему они являются такими эффективными защитными средствами или почему они могут быть настолько токсичными для производства. Таким образом, ситуация была совершенно отличной от других очень распространенных токсинов, которые этот растение производит, а именно никотин. Никотин является специфическим нейротоксином. Поскольку у растений отсутствуют нервы и мышцы, они не являются мишенью для токсина. Таким образом, производство и хранение никотина не вредит растениям», - говорит Ян Болдуин из отдела молекулярной экологии в Jena Max Planck Institute, где проводилось исследование.
К своему удивлению, исследователи обнаружили, что растения табака, которые были трансформированы таким образом, больше не могли производить два белка, участвующих в биосинтезе дитерпеновых гликозидов, и, таким образом, не образовывали защитные вещества, которые в противном случае хранились бы в листьях в больших количествах. количества, проявляли заметные симптомы самоотравления: они были больны, не могли нормально расти и больше не могли размножаться. Дальнейшие эксперименты показали, что некоторые компоненты клеточной мембраны, так называемые сфинголипиды, подверглись атаке.
Нацеливание на клеточную мембрану
Сфинголипиды - это вещества, содержащиеся во всех животных и растениях, в том числе во врагах дикого табака, личинках табачного бражника Manduca sexta. Поэтому исследователи задались вопросом, может ли метаболизм сфинголипидов быть мишенью для дитерпеновых гликозидов. На самом деле гусеницы Manduca sexta, которые питались растениями без дитерпеновых гликозидов, росли значительно лучше, чем личинки, которые питались контрольными растениями, содержащими защитные химические вещества. Анализ муки личинок Manduca sexta, которые потребляли дитерпеновые гликозиды с пищей, дал дополнительные сведения, поскольку расщепление растительных токсинов во время личиночного пищеварения происходит более или менее в порядке, обратном синтезу веществ в растении. Растения предотвращают членовредительство, сохраняя защитные вещества в нетоксичной форме. Однако, когда насекомые питаются растением, часть нетоксичной молекулы отщепляется, и химическое вещество активируется или «вооружается». «Интересно, что в обоих случаях, у растений с незавершенным биосинтезом дитерпеновых гликозидов и при питании гусениц мишенью токсинов является метаболизм сфинголипидов», - говорит первый автор Jiancai Li.
Сфинголипиды являются посредниками во многих физиологических процессах. Это делает влияние дитерпеновых гликозидов на метаболизм сфинголипидов таким интригующим. «Дитерпеновые гликозиды и их производные могут иметь широкие защитные функции против многих сельскохозяйственных вредителей и патогенных грибков. В то же время многие заболевания человека, такие как диабет, рак и некоторые нейродегенеративные заболевания, также связаны с повышенным метаболизмом сфинголипидов», - говорит Шуцин Сюй из Института эволюции и биоразнообразия Мюнстерского университета, который является одним из ведущих авторов исследования. Врачи искали эффективные вещества для лечения этих заболеваний путем ингибирования метаболизма сфинголипидов. Изучаемые здесь дитерпеновые гликозиды могут быть потенциальными кандидатами для дальнейших исследований.
"Фрассомика" - новый мощный инструмент для изучения взаимодействия между организмами
Анализ личиночной муки оказался ключом к успеху в этом исследовании. Этот новый подход ученые называют «фрассомика»: сочетание фрасса (личиночного помета) и метаболомики - анализа всех метаболитов в организме. «Из этой работы мы поняли, что фрассомика может быть очень мощным исследовательским инструментом. Анализ личиночной муки может дать метаболические подсказки о том, как то, что производит один организм, метаболизируется организмами-потребителями», - говорит Ян Болдуин..
Ученые планируют получить больше информации о «пищеварительных дуэтах», возникающих между растениями и насекомыми, чтобы лучше понять экологические взаимодействия между растениями, насекомыми и микроорганизмами.