Ферменты микробного происхождения — ключ к перевариванию пектина у листоедов

Исследователи из Института химической экологии Макса Планка (Йена, Германия) показали, как листоеды в ходе эволюции смогли успешно освоить новые, ранее неусвояемые источники пищи. Насекомые приобрели от микроорганизмов посредством горизонтального переноса генов ферменты, позволяющие расщеплять пектины — твёрдые компоненты клеточной стенки растений. Поскольку продукты распада пектина сами по себе не критичны для роста и развития жуков, учёные пришли к выводу, что жуки разрушают клеточную стенку, чтобы получить доступ к богатой белками цитоплазме растительных клеток, необходимой для их питания.

В более ранних работах та же группа показала, что ферменты, разлагающие пектин, широко распространены у растительноядных жуков и всегда имеют микробное происхождение. Целью нового исследования, опубликованного в PNAS, было выяснить, насколько важны эти ферменты для питания и жизнеспособности насекомого — в данном случае, горчичного листоеда Phaedon cochleariae.

Роль пектиназ в питании

Пектин — это матрикс, в который встроены волокна целлюлозы и гемицеллюлозы в клеточной стенке растения. Он также является основным компонентом срединных пластинок, соединяющих клетки. Следовательно, пектин должен быть переварен первым, чтобы ферменты целлюлазы и гемицеллюлазы получили доступ к своим субстратам, а растительные клетки, наконец, освободились от своей защитной стенки. Таким образом, действие пектиназ — ключ к эффективному перевариванию пищи листоедом.

Создание мутантов с помощью CRISPR/Cas9

Для изучения роли пектиназ исследователи создали линии жуков, у которых эти ферменты отсутствовали. Оказалось, что просто резко снизить активность пектиназ с помощью РНК-интерференции (RNAi) у личинок было недостаточно. Полностью "выключить" гены, кодирующие пектиназы, удалось только с помощью редактирования генома CRISPR/Cas9.

Результаты эксперимента

Личинки-"нуль-мутанты" по пектиназам показали низкую выживаемость. Однако последующие эксперименты с кормлением показали, что добавление продуктов распада пектина в пищу не улучшало выживаемость этих жуков.

"Этот результат был для нас неожиданностью, но он стал важным индикатором того, что листоеды переваривают пектин не для использования продуктов его распада в собственном метаболизме, а чтобы разрушить пектин и, вероятно, другие полисахариды клеточной стенки растения для доступа к богатой белками цитоплазме растительных клеток", — говорит Рой Кирш.

Эволюционный "ярлык"

Исследования последних лет показали, что приобретение микробных ферментов через горизонтальный перенос генов способствовало разнообразию не только листоедов, но и других насекомых, таких как долгоносики, короеды и палочники. Присвоение ферментов из других организмов — это своеобразный эволюционный "ярлык", который создал условия для того, чтобы насекомые смогли освоить богатые пектином растения как источник пищи.

"Есть определённая ирония в том, что пектиназы, вероятно, впервые эволюционировали у растений для динамической адаптации структуры пектина к меняющимся потребностям растения. Затем эти ферменты были приобретены фитопатогенными микробами, которые, в свою очередь, передали их растительноядным насекомым. Стратегии адаптации растений, по-видимому, всегда сопряжены с рисками и побочными эффектами", — отмечает Рой Кирш.

Перспективы исследований

Некоторые виды листоедов содержат симбиотические бактерии, которые производят пектиназы для своих хозяев. В планах учёных — эксперименты по "вставке" (knockin) гена пектиназы в геном жука с помощью CRISPR-Cas9, чтобы показать, как этот новый признак влияет не только на взаимодействие растений и насекомых, но и на взаимодействие насекомых с их бактериальными партнёрами. Будущие исследования также будут сосредоточены на других ферментах, расщепляющих не пектин, а иные компоненты клеточной стенки растений.

Работа показывает, что для выживания насекомого на растении-хозяине важна не только адаптация к защитным механизмам растения (токсинам, ингибиторам питания). Учёные делают акцент на первичном метаболизме, которым до сих пор пренебрегали в исследованиях взаимодействий растений и насекомых.

"Способность насекомого переваривать эти первичные метаболиты в равной степени важна для эволюционного успеха растительноядных насекомых", — заключает Янник Поше.