Рецепт из двух эпох: как хвойные деревья защищаются от врагов
Хвойные деревья, такие как сосны, ели и пихты, производят липкие смолы, защищающие их от насекомых и патогенов. Важными компонентами этой смолы являются дитерпены — особые природные вещества, отпугивающие короедов и грибы. Ферменты, производящие эти соединения, называются дитерпенсинтазами.
Исследовательская группа из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) и Университета штата Айова в Эймсе (США) хотела выяснить, возникли ли эти ферменты однажды в далёком прошлом или эволюционировали независимо у разных хвойных недавно.
Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Дитерпенсинтазы — увлекательные ферменты, потому что даже незначительные структурные изменения заставляют их производить разные химические продукты. Поэтому они идеально подходят для изучения того, как растения в ходе эволюции пришли к производству такого огромного разнообразия защитных веществ», — пояснил отправную точку исследования первый автор работы Эндрю О’Доннелл.
Путешествие в эволюционное прошлое ферментов
Чтобы распутать эволюционную историю этих ферментов, команда провела генетический анализ, чтобы реконструировать вероятные предковые дитерпенсинтазы и изучить их в лаборатории. Учёные модифицировали эти реконструированные ферменты, чтобы наблюдать, как меняются их продукты.
«Чтобы определить продукты фермента, мы переносили его гены в бактерии. Бактерии затем производили фермент для нас. Мы выделяли фермент, добавляли подходящие исходные материалы и детально анализировали полученные продукты с помощью современных аналитических методов», — пояснил Аксель Шмидт.
Чтобы определить возраст определённых предковых ферментов, исследователям пришлось учитывать последовательности многочисленных дитерпенсинтаз, а также эволюционные взаимоотношения между видами хвойных. Результат: некоторые из дитерпенов, обнаруженных в смоле современных хвойных, возникли 300 миллионов лет назад, задолго до того, как сосны, ели и пихты существовали в их нынешних формах. Другие важные дитерпены, однако, развились более недавно и независимо у нескольких разных видов деревьев.
Почему эволюция иногда занимает очень много времени
Это подняло вопрос, почему некоторые из этих соединений так долго развивались — и всё же привели к схожим результатам у разных видов деревьев. Центральную роль в этом процессе сыграл генетический механизм, называемый эпистазом. Новые признаки часто проявляются только в том случае, если другие изменения произошли заранее.
«Потенциал растений для развития определённых веществ медленно увеличивался в течение миллионов лет, а затем резко — после того, как хвойные отделились от других растений. Это может объяснить, почему некоторые группы растений неоднократно развивают одни и те же характеристики», — говорит О’Доннелл.
Защита от короедов
Сегодня смола хвойных — это смесь древних и более поздних дитерпенов. Эти более поздние защитные вещества, возможно, развились, когда короеды уже существовали, что подтверждается палеонтологическими находками. Несмотря на разные эволюционные пути, сосны, ели и пихты, вероятно, независимо развили идентичные дитерпены в качестве защиты от этих вредителей. Эта уникальная смесь древних и более поздних защитных веществ может быть решающей для того, насколько хорошо деревья отражают атаки современных вредителей, таких как короеды.
«Способность дерева быстро адаптироваться к новым вызовам, таким как нашествия короедов, зависит от изменений, которые уже произошли в его метаболизме в ходе эволюции. Эта предыстория определяет, какие новые характеристики могут развиться — и, следовательно, насколько хорошо растение адаптируется», — объясняет Джонатан Гершензон.
Исследователи теперь хотят изучить, как эволюция дитерпенов и дитерпенсинтаз повлияла на способность деревьев защищаться сегодня как от короедов, так и от связанных с ними видов грибов. Вероятно, для наиболее эффективной защиты от двойной угрозы жуков и грибов необходима смесь веществ.