Растения - одни из самых выдающихся химиков природы. В отличие от животных, они не могут убегать от хищников или патогенов. Они не могут выкорчевать себя, чтобы найти себе пару или посеять семена.
Вместо этого они производят химикаты: токсины для уничтожения бактерий. Горькие алкалоиды для защиты от травоядных. Сладкий нектар и пигменты цвета драгоценных камней для привлечения опылителей или птиц, помогающих распространять семена.
Химикаты, можно сказать, являются одним из способов растений заниматься любовью и войной.
Но как деревья, кустарники и цветы получили эти способности?
В новом исследовании ученые изучают этот вопрос через эволюцию гардении, Gardenia jasminoides, вечнозеленого кустарника с белыми цветами, который выращивают в тропиках в качестве декоративного растения.
Исследователи впервые секвенировали геном гардении. Затем они подробно изучили, как растение образует соединение под названием кроцин. Это ярко окрашенное химическое вещество, придающее шафрану ярко-красный оттенок, также отвечает за красно-оранжевый оттенок созревших плодов гардении.
Исследование определило гены, участвующие в производстве кроцина, и использовало их для создания соединения в лаборатории. Эта работа, которая включала в себя расшифровку пошагового процесса, используемого гардениями для синтеза кроцина, закладывает основу для крупномасштабного производства химического вещества, которое, как считается, обладает лечебными свойствами антиоксиданта.
Исследование также изучало происхождение кроцина в гардениях. Результаты, которые будут опубликованы 18 июня в журнале BMC Biology, подчеркивают силу эволюционного процесса, называемого дупликацией тандемных генов, в котором случайное копирование ДНК дает организмам гибкость для расширения арсенала генетических инструментов, которые они имеют в своем распоряжении. Это всего лишь один из способов, с помощью которого растения могут развивать новые способности, но он имеет решающее значение.
«Важным принципом является то, что растения могут изобретать вещи заново», - говорит соавтор исследования Виктор Альберт, доктор философии, биолог из Университета Буффало. «Они могут дублировать некоторые части своего генетического инструментария и немного крутить функции. Итак, скажем, у вас есть отвертка, но головка у нее очень большая. он меньше и удобен для маленьких винтов, но у вас также есть оригинальный винт с большой головкой для больших винтов. Вот что делают эти заводы."
«Было интересно раскрыть эти молекулярные «уловки» при исследовании генома растения, столь важного для традиционной китайской медицины, а теперь и для современных биомедицинских исследований», - говорит соавтор исследования., Цзинъюань Сун, доктор философии, из Инженерно-исследовательского центра ресурсов китайской медицины в Китае, который также связан с Китайской академией медицинских наук и Медицинским колледжем Пекинского союза.
Руководили проектом Сун и Шилин Чен, доктор философии, из Центра инженерных исследований ресурсов китайской медицины и Китайской академии медицинских наук, а также Джованни Джулиано, доктор философии, из Итальянского национального агентства новых технологий, Энергетика и устойчивое экономическое развитие (ЕНЭА). Первыми авторами были Чжичау Сюй, доктор философии, и Сяндун Пу, оба из Китайской академии медицинских наук и Медицинского колледжа Пекинского союза. Сюй также сотрудничает с Инженерно-исследовательским центром ресурсов китайской медицины.
Альберт, профессор биологических наук Колледжа искусств и наук UB и приглашенный профессор Наньянского технологического университета в Сингапуре, и его студенты внесли важный вклад, проведя исследования в области биоинформатики, которые помогли раскрыть эволюционную историю кроцина и кофеина. синтез в гардении и кофейных растениях соответственно.
Как удвоенная ДНК помогает растениям расширить свой генетический набор
В случае тандемной дупликации один ген реплицируется по ошибке во время размножения. Затем, по мере эволюции вида, избыточная ДНК может свободно мутировать и брать на себя новые функции.
У Gardenia jasminoides тандемная дупликация привела к эволюции гена, необходимого для синтеза кроцина, заключает исследование. Эта форма генетической репликации также позволила близкому родственнику гардении - кофейному растению Coffea canephora - развить гены, производящие кофеин, согласно исследованию, в ходе которого ДНК гардении сравнивалась с ДНК Coffea canephora и некоторых других растений.
«Это тот случай, когда мы видим, что один и тот же основной эволюционный механизм генерирует эти тандемные дубликаты для создания двух разных интересующих путей биосинтеза у двух растений», - говорит Альберт. «У нас есть кофе и гардения, которые произошли от близкого общего предка, и в одном случае тандемные дубликаты образовались и сошли с ума в кофе, чтобы произвести кофеин. А в другом они образовались и сошли с ума в гардении, чтобы сделать кроцины».
Сделано растениями, но полезно и для человека
Кроцин содержится не только в гардениях, но и в крокусах, из которых производят шафран. Эти виды не унаследовали способность производить кроцин от общего предка: они независимо развили свой арсенал генов. То же самое касается генов кофеина в растениях кофе, чая и шоколада.
«Растения играют в игры с многочисленными эволюциями интересных фитохимических веществ», - говорит Альберт. «И, конечно же, все эти фитохимические вещества полезны для растений, возможно, в борьбе с патогенами или в качестве аттрактантов для насекомых».
Когда дело доходит до гардении, огненный цвет плодов растения помогает расширить ареал вида, привлекая животных, которые едят плоды и выбрасывают семена в новые места.
Но в то время как растения выполняют химию для собственного блага, соединения, которые они производят, могут принести пользу и человеку. Аспирин тесно связан с соединением, содержащимся в коре ивы. Дигоксин, редко используемый для лечения сердечных заболеваний, получают из растения наперстянки. Антиоксидантные свойства кроцина представляют интерес для исследователей, и теперь у ученых есть необходимые знания для создания этого химического вещества в лаборатории.
«Это известный факт, что одно и то же химическое вещество (например, кофеин или кроцин) может появляться снова и снова в отдаленных видах растений», - говорит соавтор Джулиано. «Один нерешенный вопрос заключался в следующем: как гены, участвующие в биосинтезе таких химических веществ, появляются одновременно у этих разных видов? Опубликованная нами работа не только впервые описывает полный путь биосинтеза кроцина у любого растения, но также показывает что этот путь развился у гардений за счет появления только одного гена, который действует на раннем этапе пути, в то время как более поздние гены существовали ранее и использовались автостопом для производства кроцина. Это элегантная демонстрация на биохимическом уровне того, как природа повторно использует и адаптирует уже существующие механизмы, а не создает совершенно новые».