Группа ученых из Института химической экологии им. Макса Планка в Йене, Германия, изучила экологическую функцию линалоола, естественно распространенного летучего органического соединения, в диких растениях табака Nicotiana attenuata. Они обнаружили, что ген, ответственный за синтез и высвобождение линалоола, значительно различается у растений одного и того же вида. Самки табачного бражника (Manduca sexta) предпочитают откладывать яйца на растения с более высоким естественным содержанием линалоола. В то же время, чем больше линалоола выделяло растение, тем больше яиц и только что вылупившихся личинок съедали клопы. Поведенческие анализы во все более сложных условиях показали, что эффекты линалоола сильно различаются в зависимости от естественной среды и генетического состава растения (Proceedings of the National Academy of Sciences.).
Взаимодействия между табачными растениями, табачными бражниками и хищными клопами
Растения выработали несколько стратегий защиты от травоядных животных, особенно от насекомых. В дополнение к механическим средствам защиты, таким как шипы и шипы, растения также производят химические защитные соединения, которые сдерживают насекомых и других травоядных. К этим веществам относятся летучие органические соединения, часто вырабатываемые растениями только после нападения насекомых. Линалоол является таким растительным летучим органическим соединением; он опосредует различные экологические взаимодействия с насекомыми. Его сложный механизм действия уже был предметом предыдущих исследований. Известно, что линалоол в растениях табака может привлекать хищных клопов Geocoris, чтобы указать им путь к добыче: яйцам или только что вылупившимся личинкам табачных бражников. Однако в качестве компонента цветочного аромата линалоол также привлекателен для взрослых бражников и влияет на решение самок бабочки отложить яйца на растении. Группа ученых из Института химической экологии им. Макса Планка под руководством Мередит Шуман и Яна Болдуина более подробно изучила экологические функции монотерпенового линалоола в диких растениях Nicotiana attenuata.
Генетический анализ синтеза линалоола
Исследователи наблюдали корреляцию между скоростью появления яиц Manduca sexta, предшествовавших жукам Geocoris, и количеством линалоола, вырабатываемого соответствующими растениями. Они не наблюдали такой корреляции между пятью аналогичными органическими соединениями, выделяемыми растениями табака, и уровнем хищничества яиц. Это указывает на то, что линалоол фактически действует как химический крик растений о помощи и привлекает хищных жуков, которые нападают на личинок травоядных. «Табачные растения сильно различаются по своему выделению линалоола. Если линалоол в основном оказывает защитное действие, то есть привлекает хищников и отпугивает бражников, мы ожидаем, что вариаций будет меньше. Очевидно, что выделение линалоола не всегда выгодно для растения. Поэтому мы хотели систематически исследовать, какие экологические взаимодействия являются результатом различий в производстве линалоола», - объясняет Джун Хе, первый автор исследования.
Ученым удалось идентифицировать фермент, регулирующий синтез линалоола у Nicotiana attenuata, и определить его генетическую основу. Для этого они скрестили растения из местных популяций в Аризоне, которые продуцировали линалоол с высоким содержанием линалоола, с растениями из Юты, которые продуцировали значительно меньше линалоола. Этот подход, называемый прямой генетикой, позволил идентифицировать гены, лежащие в основе естественных вариаций синтеза линалоола.
Зеркальные изображения молекул и их различные эффекты
Линалоол встречается в двух различных формах, так называемых энантиомерах. Оба энантиомера, (R)-(-)-линалоол и (S)-(+)-линалоол, практически идентичны, однако их трехмерные структуры являются зеркальным отображением друг друга. Хотя только (S)-(+)-линалоол был обнаружен в естественных популяциях Nicotiana attenuata в Юте и Аризоне, исследователи также использовали в своих экспериментах растения, производящие его зеркальное отражение, (R)-(-)-линалоол. Оба энантиомера воспринимаются бражниками как два разных соединения, что приводит к разному влиянию на их поведение.
Эксперименты во все более сложном контексте
Ученые проверили действие этих растений в поведенческих тестах на табачных бражниках. Они наблюдали за поведением спаривающихся самок, подвергшихся воздействию двух разных экспериментальных растений, в ходе выборочного анализа в аэродинамической трубе, чтобы ответить на вопрос, как смеси линалоола влияют на яйцекладку. Удивительно, но на откладывание яиц лишь частично повлияло искусственное производство двух энантиомеров линалоола. Фактически, генетический фон растений, то есть, были ли растения из Юты или Аризоны модифицированы для производства большего количества линалоола, оказал гораздо более сильное влияние на предпочтения бабочек.«Нас удивило, что экспериментальный контекст имел большее значение, чем два разных энантиомера», - объясняет Ричард Фандино, автор экспериментов в аэродинамической трубе. Исследователи провели дальнейшие эксперименты с мотыльками и различными растениями табака в камерах для откладывания яиц и в большой экспериментальной палатке, где мотыльки могли летать. Однако различия в реакциях бабочек на выброс линалоола исчезали по мере того, как усложнялась окружающая среда.
Значение сигналов в контексте
Контекст - это лингвистический термин. Это указывает на проблему, заключающуюся в том, что слова или словарь могут иметь разное значение в зависимости от ситуации общения, в которой они используются. Это относится и к компоненту «химического словаря» - линалоолу. Первоначально авторы исследования ожидали, что химическое соединение вызывает определенное поведение. «Однако наше исследование показало, что бабочки обращают внимание на множество различных особенностей растений при выборе места для кормления или откладывания яиц. Затем они интегрируют эту информацию, чтобы выбрать среди доступных растений. Таким образом, различия в других свойствах растений, а также наличие альтернативных растений и их характеристик, вероятно, определяют важность любого отдельного сигнала: в данном случае линалоола», - резюмирует Мередит Шуман, один из основных авторов публикации..
Лучшее понимание соответствующей контексту защиты растений от травоядных может помочь преодолеть проблемы в стандартизированном промышленном сельском хозяйстве, такие как эволюция устойчивости к обычно используемым пестицидам.