Группа ученых из Бернского университета (Швейцария) и Института химической экологии им. Макса Планка и их партнеры охарактеризовали множественные функции бензоксазиноидов в пшенице: токсическая форма веществ делает растение устойчивым к чешуекрылым личинок, тогда как менее токсичная форма регулирует механизмы косвенной защиты от тли. Ученые определили «переключатель» между этими различными функциями как фермент метилтрансферазу, который активируется при питании гусеницы. Этот переключатель позволяет растениям пшеницы адаптировать свою защитную реакцию к различным травоядным. Сравнение с кукурузой показывает, что метилтрансфераза также регулирует защитные процессы кукурузы от различных насекомых-вредителей. Однако два фермента пшеницы и кукурузы развились независимо друг от друга (Science Advances, 5 декабря 2018 г.).
В природе растения подвергаются воздействию множества врагов, которые питаются их листьями, стеблями и корнями или лакомятся их соком. В ответ на эти угрозы растения развили способность производить вторичные метаболиты, в функции которых входит предотвращение питания травоядных животных. Растения могут использовать такие защитные вещества многофункциональным образом. Группа исследователей под руководством Тобиаса Кёлльнера из Института химической экологии Макса Планка и Маттиаса Эрба из Бернского университета охарактеризовала функцию бензоксазиноидов в пшенице. Исследователи использовали ранее полученные подробные сведения о защитных функциях бензоксазиноидов в кукурузе. В растениях кукурузы фермент метилтрансфераза действует как функциональный переключатель: он решает, действуют ли бензоксазиноиды как эффективные токсины для защиты растения от травоядных гусениц, или же бензоксазиноиды менее токсичны, но вызывают образование каллозы. Каллоза используется в качестве герметика клеток, который блокирует ситовидные элементы и затрудняет высасывание тлей сока флоэмы. «Наш подход заключался в том, чтобы внедрить переключатель кукурузы в пшеницу и постоянно активировать его. Вместе с нашими коллегами из Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница мы создали трансгенные растения пшеницы, которые больше не могли выбирать между производством токсинов и защитой. регулирования, но постоянно производил токсичную форму бензоксазиноидов. Это позволило нам детально выяснить функции бензоксазиноидов в пшенице», - объясняет Тобиас Кёлльнер.
Подход позволил провести тщательный анализ того, как переключение между производством токсинов и защитной регуляцией влияет на устойчивость пшеницы к личинкам чешуекрылых и тле. Более того, ученые смогли идентифицировать соответствующий переключатель у пшеницы и проанализировать его с биохимической и филогенетической точек зрения. Хотя и кукуруза, и пшеница производят бензоксазиноиды - их наиболее важную защиту посредством одного и того же консервативного основного пути биосинтеза - у обоих видов гены, ответственные за переключение между их токсической и регулирующей формами, лишь отдаленно связаны между собой. Таким образом, два вида злаков, вероятно, развили этот переключатель независимо друг от друга в ходе эволюции. Ученые называют это явление «конвергентной эволюцией».
Конвергентная эволюция широко распространена в природе и является результатом того факта, что разные виды вырабатывают решение одной и той же проблемы независимо друг от друга. Примечательно, что две травы, производящие одни и те же специализированные защитные вещества, развили соответствующий переключатель для их использование независимо друг от друга. С одной стороны, это может свидетельствовать о том, что возможность использования бензоксазиноидов для различных функций возникла относительно недавно. С другой стороны, это подчеркивает важность способности адаптировать защитные реакции к различным травоядным. По нашему мнению, то, что мы здесь наблюдаем, - это появление новых регуляторных механизмов, которые отходят от консервативного канона фитогормонов к более специализированным системам», - говорит Матиас Эрб. «Интересно, что растения семейства капустных также используют защитные вещества для регуляции каллозы, что предполагает что этот тип многофункциональности широко распространен в царстве растений».
В качестве следующего шага исследователи хотели бы выяснить, как бензоксазиноиды контролируют другие защитные процессы. Их особенно интересует поиск ответа на вопрос, существуют ли рецепторы для бензоксазиноидов. Если это так, то их вполне можно классифицировать как специализированные гормоны, что еще больше стирает границу между растительными токсинами и регуляторами защиты. В конечном счете, это исследование может помочь ответить на вопрос, почему растения используют токсины для регуляции защитных сил в дополнение к классическим растительным гормонам.