Химический сигнал в растениях снижает процессы роста в пользу защиты

Растения Arabidopsis thaliana продуцируют бета-циклоцитрал при атаке травоядных животных. Этот летучий сигнал ингибирует путь MEP, который играет важную роль в процессах роста растений, таких как производство пигментов для фотосинтеза. Поскольку путь MEP встречается только у растений и микроорганизмов, но не у животных, знание сигнальной молекулы, такой как бета-циклоцитрал, открывает новые возможности для разработки гербицидов или противомикробных агентов, которые блокируют этот путь.


В новом исследовании, проведенном в PNAS, международная группа исследователей, включая ученых из Института химической экологии Макса Планка, показала, что растения Arabidopsis thaliana производят бета-циклоцитрал при атаке травоядных животных и что этот изменчивый сигнал ингибирует метилэритритол-4-фосфат (MEP). путь. Путь MEP играет важную роль в процессах роста растений, таких как производство пигментов для фотосинтеза. В дополнение к подавлению пути MEP, бета-циклоцитрал также увеличивает защиту растений от травоядных животных. Поскольку путь MEP встречается только у растений и микроорганизмов, но не у животных, знание сигнальной молекулы, такой как бета-циклоцитрал, открывает новые возможности для разработки гербицидов или противомикробных агентов, которые блокируют этот путь.

Компромисс между защитными процессами и процессами роста растений

Исследователям давно известно, что у растений есть ограниченные ресурсы, которые они могут вкладывать в защиту от врагов или в рост и размножение, в зависимости от условий окружающей среды. Многие исследования уже показали, что растения повышают свою защиту при нападении насекомых, вырабатывающих, например, токсины или ингибиторы пищеварительных ферментов, которые наносят вред нападавшим. Однако гораздо меньше известно о том, как нападение травоядных влияет на процессы роста растения. «Мы хотели изучить, как травоядные могут повлиять на фотосинтез и путь метилэритритол-4-фосфата (MEP), путь производства метаболитов для роста, который напрямую обеспечивается фотосинтезом», – говорит первый автор Сирша Митра, которая начала работать над этим проектом в Институт Макса Планка, а сейчас работает доцентом в Университете Савитрибай Фуле Пуна в Пуне, Индия.

Путь MEP был предметом исследования Института химической экологии Макса Планка в Йене в течение нескольких лет. Путь MEP создает строительные блоки для изопреноидов или терпеноидов растений, очень большого семейства метаболитов растений, участвующих в росте, защите и передаче сигналов, “говорит Джонатан Гершензон, руководитель отдела биохимии и один из авторов.

Бета-циклоцитрал активирует защиту и подавляет рост

Международная исследовательская группа, в которую также входили партнеры из Universitat Ramon Llull в Барселоне, Испания, Технического университета в Lyngby, Дания, и Университета Торонто, Канада, продемонстрировала, что растения кресс-салата Arabidopsis thaliana, которые скармливались гусеницам Африканский хлопковый листовой червь, универсальный питатель, нападающий на множество различных видов растений, усиливает защиту, одновременно замедляя процессы роста. Используя различные методы из молекулярной биологии и аналитической химии, а также биоанализы на гусеницах, ученые смогли показать, что специфическое летучее соединение, бета-циклоцитраль, образованное в результате расщепления бета-каротина реактивной формой кислорода, было несет ответственность за это перемещение ресурсов. Хотя бета-циклоцитрал действует как химический сигнал для повышения защитных сил, он одновременно снижает образование соединений в пути MEP, напрямую ингибируя фермент, контролирующий скорость этого пути. «Особое значение для нашего исследования имело воздействие на растения изотопно меченого углекислого газа (13CO2) вместо доминирующего атмосферного углекислого газа (12CO2). Двуокись углерода легко вводится в путь MEP посредством фотосинтеза. Это позволило нам отследить, как метаболический поток в пути MEP изменился, когда растения переключились на защитный режим после нападения травоядных, а бета-циклоцитрал замедлил путь MEP », – говорит Лоуренс Райт, один из ведущих авторов, который сейчас работает в Южной Африке. Гусеницы, питающиеся растениями, обработанными бета-циклоцитралом, показали снижение роста по сравнению с гусеницами, питающимися необработанными растениями. Это еще одно свидетельство важности этого летучего сигнала для защиты растений.

Возможные преимущества в сельском хозяйстве и медицине

Когда растения подвергаются нападению, им, возможно, придется остановить процессы роста, чтобы высвободить достаточно ресурсов для своей защиты. Бета-циклоцитральная передача сигналов – это механизм, который точно контролирует этот сдвиг в ресурсах. Таким образом, бета-циклоцитрал или более стабильное производное может применяться к сельскохозяйственным культурам для стимуляции защиты во время вспышки вредителей. «Поскольку путь MEP обнаружен у всех растений и многих микроорганизмов, но не у животных, он представляет особый интерес для разработки гербицидов, а также лекарств с антимикробной активностью», – говорит Джонатан Гершензон, объясняя потенциальные применения этого исследования. . Дальнейшие исследования в Индии теперь будут изучать, может ли бета-циклоцитрал повышать к насекомым в сельскохозяйственных культурах, таких как томаты, и взаимодействует ли он с другими уже известными защитными сигналами.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments