Смена растения-хозяина меняет токсичный коктейль
Личинки листоеда Chrysomela lapponica атакуют два разных вида деревьев: иву и берёзу. Для защиты от хищников они производят токсичные эфиры масляной кислоты или салициловый альдегид, предшественники которых получают с пищей.
Учёные из Института химической экологии Макса Планка (Йена, Германия) обнаружили, что у жуков, специализирующихся на берёзе, произошло фундаментальное изменение в геноме: у них отсутствует активность фермента салицилового спиртоксидазы (SAO), производящего салициловый альдегид. У питающихся ивой этот фермент присутствует.
Для берёзовых жуков потеря этого фермента и, соответственно, салицилового альдегида выгодна:
- Фермент больше не нужен, так как его субстрат (салициловый спирт) есть только в листьях ивы, но не берёзы.
- Это позволяет экономить ресурсы на производство фермента.
- Главное — отсутствие пахучего салицилового альдегида делает личинок менее заметными для их естественных врагов.
Зависимость от растения-хозяина
Большинство видов листоедов атакуют только один вид растений. Ивы семейства Salicaceae содержат до 5% гликозилированного салицилового спирта (салицина) в листьях, тогда как берёзы не содержат этих соединений вовсе.
Эксперимент показал, что личинки с берёзы, переведённые на иву, поглощали салицин, и салициловый спирт обнаруживался в их защитных выделениях. Однако спирт не окислялся до альдегида, что подтвердило отсутствие активного фермента SAO у берёзовой популяции.
Альтернативный сплайсинг инактивирует фермент у питающихся берёзой
Биохимический анализ показал, что в выделениях жуков с ивы фермент SAO-W (W: willow) присутствует в больших количествах. У берёзовой популяции был выделен кодирующий ген SAO-B (B: birch). Аминокислотные последовательности обоих ферментов идентичны на 97%, но SAO-B неактивен из-за отсутствия 27 аминокислот в начале полипептидной цепи.
Исследования защитных желёз показали, что количество матричной РНК (mRNA) гена SAO-B у берёзовых жуков снижено в 1000 раз по сравнению с ивовыми; активность фермента не обнаруживается.
Недостаток активности вызван мутацией в области соединения второго экзона и интрона гена SAO-B. Мутация приводит к изменениям в процессинге mRNA — альтернативному сплайсингу, — что и вызывает потерю 27 аминокислот в ферменте SAO-B.
Учёные полагают, что изначально Chrysomela lapponica использовала исключительно иву, а позже перешла и на берёзу. Остаётся неясным, позволила ли генная мутация смену растения-хозяина или она закрепилась в ходе эволюции уже после перехода.