Как растения вырабатывают защитные токсины, не нанося себе вреда


Растения вырабатывают токсичные вещества, чтобы защитить себя от травоядных. В новом исследовании ученые из Института химической экологии Макса Планка в Йене и Университета Мюнстера, Германия, смогли подробно описать биосинтез и точный механизм действия важной группы защитных веществ, дитерпеновых гликозидов, в дикорастущие растения табака. Дитерпеновые гликозиды позволяют растениям защищаться от травоядных. Исследование показывает, что эти растительные химические вещества атакуют определенные части клеточной мембраны. Чтобы защитить себя от собственных токсинов и предотвратить повреждение клеточных мембран, растения табака хранят эти вещества в нетоксичной форме, которая синтезируется особым образом. Аутотоксичность и защита от нее, по-видимому, играют большую роль в развитии защитных сил растений, чем считалось ранее.

Многие растения вырабатывают химические средства защиты от поедания. По-прежнему мало что известно о том, что делает эти вещества токсичными для потребителей. Исследователи из Института химической экологии Макса Планка и Университета Мюнстера теперь исследовали, как растения производят токсины и накапливают их в своих тканях, не причиняя себе вреда. В частности, они хотели знать, имеют ли механизмы аутотоксичности и ее предотвращения общие механизмы, аналогичные токсическим характеристикам, обеспечивающим защиту от травоядных животных.

Аутотоксичность и защита

Для своих экспериментов они выбрали дитерпеновые гликозиды из растений Nicotiana attuata, дикого вида табака. «Эти вещества присутствуют в очень высоких концентрациях в листьях растений табака. Но мы понятия не имели, почему они были такими эффективными средствами защиты или почему они могут быть настолько токсичными для производства. Таким образом, ситуация полностью отличалась от другого очень распространенного токсина, который был растение производит, а именно никотин. Никотин – это специфический нейротоксин. Поскольку у растений нет нервов и мышц, 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, чтобы они больше не могли вырабатывать два белка, участвующих в биосинтезе дитерпеновых гликозидов и, следовательно, также не образовывали защитные вещества, которые в противном случае сохранялись бы в листьях в больших количествах, проявляли заметные симптомы. самоотравления: они были больны, не могли нормально расти и больше не могли воспроизводить потомство. Дальнейшие эксперименты показали, что некоторые компоненты клеточной мембраны, так называемые сфинголипиды, подверглись атаке.

Нацеливание на клеточную мембрану

Сфинголипиды – это вещества, которые содержатся во всех животных и растениях, включая врагов дикого табака, личинок табачного ястреба Manduca sexta. Поэтому исследователи спросили, может ли метаболизм сфинголипидов быть целью дитерпеновых гликозидов. На самом деле гусеницы Manduca sexta, которые питались растениями без дитерпеновых гликозидов, росли значительно лучше, чем личинки, которые питались контрольными животными, содержащими защитные химические вещества. Анализ фрагментов личинок Manduca sexta, которые принимали дитерпеновые гликозиды с пищей, позволил получить дополнительную информацию, поскольку разложение токсинов растений во время переваривания личинок происходит более или менее в обратном порядке по сравнению с синтезом веществ в растении. Растения предотвращают самоповреждение, сохраняя защитные вещества в нетоксичной форме. Однако, когда питаются растением, часть нетоксичной молекулы отщепляется, и химическое вещество активируется или «вооружается». «Интересно, что в обоих случаях у растений с неполным биосинтезом дитерпеновых гликозидов и у кормящихся гусениц мишенью токсинов является метаболизм сфинголипидов», – говорит первый автор Цзяньцай Ли.

Сфинголипиды являются медиаторами многих физиологических процессов. 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 грибов. 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 Институт эволюции и биоразнообразия Мюнстерского университета, который является одним из главных авторов исследования. Врачи ищут 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 организмов.