Чужой против гусеницы

Кого кукуруза «зовет на помощь», когда ей угрожают гусеницы, как в растительном мире разыгрываются сцены, похожие на фильм «Чужой», какую пользу могут извлечь из этого ученые и при чем тут майянский бог Кетцалькоатль, читайте в материале Indicator.Ru.

Мягкие молодые ткани кукурузы особенно привлекательны для многочисленных вредителей — тлей и гусениц. Но растения не сдаются так просто: они могут не только выделять яды или отращивать колючки, но и призывать на гусениц «возмездие» в виде безжалостных членистоногих, пожирающих их изнутри, что можно использовать в сельском хозяйстве.

Долой совок!

Пожалуй, здесь некоторые любители поностальгировать по тому хорошему, чем запомнился СССР (о книге, которая им поможет окунуться в его атмосферу, можно почитать в обзоре Indicator.Ru), решат обидеться – но совершенно зря. Совки (в данном случае, хлопковые и малые) – семейство бабочек, чьи неразборчивые в еде гусеницы наносят огромный вред посевам самых разных сельскохозяйственных культур: от хлопчатника до кукурузы, от томатов до нута (сорт гороха).

Тонкие и нежные стебли молодой кукурузы и ее мягкие метелки на первый взгляд совершенно беззащитны перед лицом (а точнее, перед ротовым аппаратом) этой чешуекрылой опасности. Однако у кукурузы есть могущественные крылатые защитники, грозные, словно Кетцалькоатль, пернатое божество выращивавших кукурузу и поклонявшихся ей древних майя, в жертву которому было принято приносить бабочек.

Ученые из Германии, США, Канады и Китая объединились под руководством Аннетт Ричер из Университета Мартина Лютера в Германии, чтобы исследовать химические сигналы, с помощью которых 26 линий кукурузы (Zea mais) привлекают естественных врагов гусениц, повреждающих посевы, и опубликовали результаты в журнале The Plant Cell.

«Эта работа замечательно демонстрирует, как совместный проект ученых из разных областей знаний, от геномики до низкомолекулярной химии, может привезти к новому уровню понимания «оборонительного» метаболизма растений», — сообщает Георг Яндер, соавтор статьи и профессор Бойс-Томсоновского института заводских исследований в Нью-Йорке.

«Чужой» среди своих

На самых прожорливых гусениц находится управа — кровожадные (точнее, гемолимфожадные, учитывая особенности их жертв) монстры, откладывающие в них свои яйца, из которых потом вылупляются личинки, поедающие их изнутри. Объединяются все эти членистоногие «чужие» с планеты Земля, которые вполне могли служить источником вдохновения для сценаристов знаменитого фильма ужасов, в группу наездников — инфраотряд (группа, промежуточная между подотрядом и надсемейством) стебельчатобрюхих перепончатокрылых насекомых. Название свое они приобрели из-за огромного яйцеклада, похожего на жало, которым они вводят в личинку жука или гусеницу бабочки свои яйца. От некоторых наездников не спастись даже за слоями древесной коры: так, виды рода Megarhyssa имеют яйцеклад длиной в несколько сантиметров, способный пронзать не только мягкие ткани жертв, но и древесину, в толще которой те пытаются спрятаться (на самом деле, они просто питаются ею).

Когда на растение нападают гусеницы-вредители, оно выделяет летучие химические соединения (чаще всего из группы терпенов), которые сигнализируют наездникам о наличии их пищи. Для растения этот химический призыв — крик о помощи, а для наездников — приглашение к обеду. Дальше начинается новая серия под названием «Чужой против травоядного».

При участии лаборатории Эдварда Баклера, профессора Корнелльского университета и сотрудника научно-исследовательской сельскохозяйственной станции Департамента сельского хозяйства США, ученые принялись за поиски генов, которые связаны с синтезом привлекающих наездников терпенов, в 26 чистых линиях кукурузы. Это число было выбрано не случайно: практически все 6000 сортов кукурузы получены скрещиванием одной из 25 линий с материнской линией B73, что в сумме как раз дает число 26.

Терпенов на вас не хватает!

Растительные терпены — химические вещества с формулой (C₅H₈)n — синтезируются из 5-углеродных соединений, которые сначала образуют 10-углеродный геранил-дифосфат, 15-углеродный фарнезил-дифосфат и 20-углеродный геранил-геранил-дифосфат. Эти соединения подвергаются ряду изменений, после чего из-за добавления и отщепления атомов углерода от углеродного скелета его длина становится равной 16 или 11. Такую длину имеют углеродные скелеты терпенов DMNT и TMTT соответственно.

Используя данные о 1,6 миллионах однонуклеотидных полиморфизмах кукурузы (различиях в одну «букву» ДНК), исследователи показали, что первая ступень этой цепочки реакций катализируется ферментом терпен-синтазой, а за отщепление углерода от углеродного скелета оказались ответственными специфические ферменты — две разных P450 монооксигеназы.

Исследователи установили, что в одной из родительских линий, в которой выработка терпенов снижена, причиной этого стала неактивность гена TPS2 (терпен-синтазы). Вставляя транспозоны («прыгающие гены») в участок генома, где закодирована одна из этих монооксигеназ, ученые показали, что в случае нарушения в работе этого гена производство терпена DMNT прекращается, а выработка TMTT резко падает.

Зная, где расположены гены, участвующие в синтезе терпенов, можно понять, как нужно модифицировать культурные растения, чтобы научить их естественным образом защищаться от вредителей, ведь не все культурные линии кукурузы обладают этим оружием. А если культурные растения будут «звать на помощь» своих природных защитников, сельское хозяйство сможет в какой-то момент обойтись без пестицидов или по крайней мере существенно снизить их употребление, а значит, и ущерб естественным экосистемам.