Химическая защита растений влияет не только на рост и развитие травоядных, но и, косвенно, на следующих потребителей в пищевой цепочке. Новое исследование показывает, что травоядные и их хищники выработали эффективные стратегии борьбы с токсичными вторичными метаболитами растений. Гусеницы ромбовидной моли используют особый кишечный фермент, чтобы обезвредить токсичные вещества растения-хозяина. Без активности этого фермента рост, выживание и размножение нарушаются. Тем не менее, хищные личинки златоглазки питаются отравленными гусеницами без серьезных негативных последствий, поскольку имеют собственный механизм детоксикации. (eLife, декабрь 2019 г., doi:10.7554/eLife.51029).
Чтобы успешно питаться растением, травоядным необходимо преодолеть химические вещества, которые растение производит для своей защиты. Одной из групп этих защитных соединений являются глюкозинолаты, которые вырабатываются всеми видами крестоцветных овощей, включая капусту, брокколи и хрен, а также модельным растением Arabidopsis thaliana. Глюкозинолаты легко превращаются в токсичные изотиоцианаты. Некоторые травоядные используют механизмы для предотвращения образования изотиоцианатов. Среди них ромбовидная моль Plutella xylostella, крупный сельскохозяйственный вредитель, который специализируется на капусте и родственных видах растений. Неоднократные массовые вспышки сделали это травоядное экономически важным вредителем овощей во всем мире.
Группа ученых из отдела биохимии Института химической экологии им. Макса Планка в Йене, Германия, и Индийского института научного образования и исследований в Пуне, Индия, хотела выяснить, происходит ли ферментативное превращение глюкозинолаты на самом деле являются механизмом детоксикации, который имеет решающее значение для роста, выживания и размножения насекомых-вредителей. Более того, гусеницы ромбовидной моли являются частью пищевой цепи, потому что их поедают другие насекомые, например личинки златоглазки. Личинки златоглазки - прожорливые хищники, которые питаются различными видами насекомых. По этой причине они также используются в качестве полезных организмов в биологической борьбе с вредителями. Поэтому ученые хотели узнать, как глюкозинолаты у травоядных повлияют на их хищников.
Во-первых, исследователи показали, что личинки ромбовидной моли, которые питаются крестоцветными растениями, производят больше специфического фермента детоксикации. Однако личинки, которые больше не могли вырабатывать фермент, явно нарушались в своем развитии, когда они питались растениями, продуцирующими глюкозинолаты в своих листьях: их рост замедлялся, их выживаемость была ниже, и у них было меньше потомства. Химический анализ показал, что эти гусеницы содержат большое количество ядовитых изотиоцианатов.
Для ученых это открытие доказало, что ферментативная детоксикация имеет решающее значение для выживания ромбовидной моли. Однако Даниэль Гиддингс Вассао, руководитель группы на кафедре биохимии, который руководил исследованием вместе с Сагаром Пандитом из партнерского института в Пуне, также отмечает, что образование фермента дорого обходится насекомым: «Хотя присутствие фермента значительно увеличивает производительность гусениц, это преимущество сопряжено с затратами Насекомые гораздо лучше работают на растениях без каких-либо глюкозинолатов Экология защиты растений очень сложна. Даже когда травоядное животное развило хитрую химическую реакцию для детоксикации соединения, защищающего растение, растение может продолжать производить химическую защиту, пока детоксикация истощает ресурсы насекомых».
Ученые не только хотели знать, как гусеницы ромбовидной моли справляются с защитой растений, но также и влияют ли защитные соединения растений на следующий уровень пищевой цепи, то есть на хищных насекомых, питающихся этими гусеницами. «Мы думали, что блокирование химического превращения глюкозинолатов в гусеницах ромбовидной моли окажет неблагоприятное воздействие на хищных златоглазок. Однако, к нашему удивлению, мы обнаружили, что златоглазки почти не испытывают негативных последствий при кормлении такими гусеницами», - прокомментировал Руо Сунь, исследователь. первый автор исследования. Почти не имеет значения, питаются ли личинки златоглазки гусеницами, которые могут детоксицировать глюкозинолаты, или гусеницами, содержащими высокотоксичные изотиоцианаты: личинки златоглазки растут немного медленнее, когда питаются только ядовитыми гусеницами; однако это никак не влияет на их физическую форму и не меняет их выбор добычи. Дальнейшие исследования показали, что личинки златоглазки также способны обезвреживать изотиоцианаты, хотя они используют другой механизм детоксикации, чем личинки ромбовидной моли.
Результаты также представляют интерес в отношении возможных стратегий борьбы с этим экономически важным вредителем, по словам Джонатана Гершензона, директора Департамента биохимии: «Наше исследование показывает, что способность ромбовидной моли выживать и развиваться успех на растениях, содержащих глюкозинолат, зависит от его способности химически метаболизировать эти защитные механизмы. Между тем, обыкновенная зеленая златоглазка, универсальный хищник ромбовидной моли, также метаболизирует глюкозинолаты, но другим способом. Поэтому в будущих усилиях по борьбе с ромбовидной молью можно использовать комплексная стратегия борьбы с вредителями: вмешательство в детоксикацию ромбовидной бабочки и в то же время использование хищников, таких как златоглазки, которые не страдают, даже если у травоядных нет системы детоксикации."