Как растения чувствуют нападение травоядных: обзор механизмов восприятия
Растения не пассивно принимают ущерб от травоядных животных — они обладают сложной системой защиты, которая активируется в ответ на атаку. Эта система основана на клеточной сигнализации и экологических сигналах. Растения научились распознавать повреждения через различные молекулы-элиситоры, которые вырабатываются либо хищником, либо самими растениями, и инициируют что-то вроде «сигнала SOS».
В обзоре, опубликованном в журнале Trends in Plant Science, профессор Ген-итиро Аримура из Токийского университета науки обобщает исследования механизмов восприятия травоядных через элиситоры. Профессор отмечает: «Этот обзор в основном посвящен элиситорам, потому что они актуальны, новы и имеют потенциальное биотехнологическое применение».
Типы элиситоров
Когда одно и то же травоядное животное многократно поедает растение, оно учится распознавать характер питания и запоминает связанный с ним «молекулярный паттерн». Это называется «молекулярными паттернами, ассоциированными с травоядными» (herbivore-associated molecular patterns, HAMPs). HAMPs являются врожденными элиситорами.
Другие элиситоры включают:
- Продукты жизнедеятельности растений, которые вытекают из клеток из-за повреждений, нанесенных травоядными.
- Продукты переваривания клеточных стенок и других компонентов растения, которые становятся частью оральных секретов (OS) насекомого и также могут функционировать как элиситоры.
Современные методы обнаружения
С развитием высокопроизводительных систем обнаружения генов и белков стала возможной характеристика элиситоров даже от специфических травоядных, например, сосущих сок насекомых, которые не производят достаточного количества OS. Белки в слюнных железах таких насекомых могут быть потенциальными элиситорами, поскольку попадают в растение во время питания.
Профессор Аримура объясняет: «Анализ RNA-seq и протеомный анализ слюнных желез сосущих вредителей привели к недавней характеристике нескольких белков-элиситоров, включая муцин-подобный слюнной белок и белки-элиситоры клещей, которые служат элиситорами в листьях растений-хозяев после их секреции в растения во время питания».
Необычные сигналы и механизмы коммуникации
Обзор также выделяет некоторые особые элиситоры, такие как яйца и феромоны насекомых, которые растения могут обнаружить и против которых инициировать защитную реакцию. В особых случаях симбиотические бактерии, живущие в кишечнике насекомого, также могут регулировать защитные системы растений.
Что касается механизмов передачи сигнала SOS, то выдвигаются следующие гипотезы:
- Сигнализация осуществляется с помощью белков, транспортируемых через сосудистую ткань растений.
- Существует доказательство воздушной сигнализации между растениями — феномен «разговаривающих растений». При повреждении растения выделяют в воздух летучие химические вещества, которые могут восприниматься соседними растениями.
- Также есть свидетельства эпигенетической регуляции защитных систем, при которой растения сохраняют своего рода «генетическую память» об атаковавших их насекомых и могут соответствующим образом корректировать защитную реакцию при будущих атаках.
Перспективы для сельского хозяйства
Углубление знаний о механизмах защиты растений открывает возможность для «генетической» формы борьбы с вредителями. Это может помочь отказаться от использования химических пестицидов, которые со всеми их рисками стали своего рода «неизбежным злом» для фермеров. Это могло бы привести к современным, научно обоснованным методам органического земледелия, свободным от вредных химикатов.