Изучение защитных волосков растений

Растения — мастера химии, производящие огромное разнообразие молекул, ценных для человека: витамины, фармацевтические препараты и ароматизаторы.

Самая большая и разнообразная группа молекул — это специализированные метаболиты. Некоторые из них привлекают полезных насекомых, а другие отпугивают или убивают насекомых-вредителей или патогенные микробы. Часть этих метаболитов готова к действию на поверхности растения, так как синтезируется в трихомах — мелких волосках на стеблях, листьях и цветках. К сожалению, эти естественные защитные механизмы часто отсутствуют у сельскохозяйственных культур, будучи утраченными в процессе доместикации или селекции.

Например, растения семейства паслёновых (Solanaceae) синтезируют сложные эфиры сахаров (ацилсахара), обладающие противогрибковой и анти-гербиворной активностью. У видов, которые накапливают и выделяют их в больших количествах, их липкая природа обеспечивает физическую защиту, действуя как «клей», склеивающий ротовые аппараты насекомых-вредителей, и «липкая лента», улавливающая мелких насекомых.

Однако культурный томат (Solanum lycopersicum) накапливает относительно небольшое количество этих ацилсахаров, а на некоторых других экономически важных паслёновых культурах, например, сладком перце, они не обнаруживаются. Понимание того, как эти отсутствующие метаболиты производятся дикими родственниками, может подсказать подходы к селекции для повышения устойчивости культур к вредителям без использования химических пестицидов.

В статье, опубликованной в Science Advances, команда учёных из Университета штата Мичиган (MSU) продолжила изучение своего наблюдения, что паслён чёрный (Solanum nigrum) производит необычно большое количество различных защитных соединений — ацилсахаров — в своих трихомных волосках. Исследование проходило в лабораториях заслуженного профессора и профессора Барнетта Розенберга кафедры биохимии и молекулярной биологии (BMB) Роба Ласта и директора Центра масс-спектрометрии MSU, профессора BMB Дэна Джонса.

«Поскольку паслён чёрный производит так много ацилсахаров, мы разработали ускоренный конвейер для определения их структуры, чтобы ускорить наше исследование», — сказал Янн-Жу Лу, постдокторант BMB в лаборатории Ласта и первый автор исследования. — «Мы получили структурную информацию, критически важную для энзимологии, без трудоёмкого этапа очистки метаболитов, комбинируя передовые методы аналитической химии, доступные в MSU».

Неожиданностью этого исследования стало то, что ацилсахара паслёна чёрного содержат отличные типы соединений, не встречающихся вместе у других растений: ацилглюкозы и ацилинозитолы. Они основаны на сахаре глюкозе и витаминоподобном веществе инозитоле. Понимание того, как дикий вид производит эти два класса защитных молекул, может привести к выведению сельскохозяйственных культур, способных расти без синтетических пестицидов.

«Волнующим результатом этой работы стало открытие нового типа инвертазы — фермента, который мы обычно считаем производимым пчёлами для получения мёда и дрожжами для брожения», — сказал Ласт.

Эта инвертаза эволюционировала, чтобы синтезироваться в трихомных волосках и производить ацилглюкозу, а не сладкую глюкозу, содержащуюся в мёде. Результаты иллюстрируют замечательное метаболическое разнообразие цветковых растений.