Комбинированная защита различных химических защитных веществ может привести к негативному взаимодействию и взаимной детоксикации, согласно исследователям из Института химической экологии им. Макса Планка в новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences., на диком виде табака Nicotiana attenuata и одном из его специализированных травоядных. Химический анализ муки показал, что личинки табачного бражника Manduca sexta способны отщеплять компоненты одного защитного вещества и использовать их для детоксикации другого. Тем не менее, табачные растения также разработали контрстратегию, чтобы свести к минимуму взаимную детоксикацию их защитных сил: они избегают одновременного производства двух веществ, участвующих в детоксикации, в высоких концентрациях.
При химической борьбе с вредителями, а также при медикаментозном лечении болезней часто рекомендуется полагаться на комбинированную терапию различными агентами для достижения наилучшего успеха. Однако во многих вкладышах к лекарственным средствам указывается, что между различными активными ингредиентами могут возникать взаимодействия, которые могут не только усиливать действие лекарства, но также ослаблять его или даже сводить на нет. Исследователи из Института химической экологии им. Макса Планка в Йене, Германия, столкнулись с таким неожиданным эффектом при изучении защитных механизмов дикого табака Nicotiana attenuata. Они показали, что личинки табачного бражника Manduca sexta способны использовать две разные защиты растений, чтобы противодействовать вредному действию другой.
Исследование основано на химическом анализе гусеницы. «Мы смогли идентифицировать ранее неизвестные химические вещества в муке гусениц. Однако мы обнаружили, что они имеют общие структурные черты двух соединений защиты растений. Поэтому ключевыми вопросами для нас были: можем ли мы выделить компоненты и доказать их структуру, и, самое главное: можем ли мы показать, из каких специализированных сигнальных путей они происходят и какую функцию выполняют?» говорит первый автор Свен Хайлинг.
Исследователи использовали сравнительный масс-спектрометрический анализ метаболитов растений и остатков гусениц, питавшихся этими растениями. Им удалось показать, что личинки Manduca sexta способны преобразовывать два различных известных вещества для защиты растений — хлорогеновую кислоту , фенольный эфир кофейной кислоты и хинной кислоты, и 17-гидроксигераниллиналоолдитерпеновые гликозиды, или сокращенно HGL-DTG — после приема внутрь ткань листа. Связывание хлорогеновой кислоты с некоторыми сахарами молекул HGL-DTG делает два исходных соединения менее эффективными против травоядных.
Эти результаты были подтверждены экспериментами по кормлению гусениц листьями растений, которые были модифицированы для отключения одного из двух защитных механизмов. Таким образом, исследователи смогли показать не только то, что соединения, обнаруженные в личиночной муке, произошли от хлорогеновых кислот и HGL-DTG, попавших в организм с растительной пищей, но также и то, что гусеницы, которых кормили листьями, неспособными обеспечить какую-либо защиту, росли лучше, чем гусеницы, у которых только производство HGL-DTG было инактивировано.
Однако исследователи пошли еще дальше и хотели узнать, как растения справляются с этой дилеммой в природе. Учитывая долгую эволюционную историю «гонки вооружений» между растениями и насекомыми, они задались вопросом, как растения табака реагируют на умную стратегию детоксикации Manduca sexta. Поэтому они изучали биохимические свойства растений табака .в разных природных местообитаниях. «Мы изучили 183 природных образца, то есть материал Nicotiana attenuata, собранный в определенном месте в определенное время. Поразительно то, что растения из разных мест обитания, по-видимому, выбирают соединения, которые необходимы им для адаптации к своей конкретной среде». и подавлять производство других соединений. Этот химический образец может помочь им в некоторой степени избежать взаимной детоксикации», — говорит соавтор Цзяньцай Ли.
Исследование представляет собой впечатляющий пример эволюции защитных сил растений, с одной стороны, и процессов адаптации насекомого, специализирующегося на питании этим растением, такого как табачный роговой червь, с другой. Впервые было показано, что комбинированная защита, состоящая из различных защитных веществ, может быть «саботирована» травоядным таким образом, что два активных соединения детоксицируют друг друга путем ферментативного превращения после приема внутрь. Предположительно, в природе есть много других примеров изощренных стратегий детоксикации, применяемых травоядными насекомыми-специалистами. Однако такие исследовательские подходы недостаточно хорошо зарекомендовали себя, поскольку сложно определить химические изменения в веществах после их приема внутрь травоядными животными.
Чтобы выяснить стратегии детоксикации насекомых, Ян Болдуин и его коллеги используют новый исследовательский подход, называемый фрассомикой, который позволяет им описывать химическое превращение метаболитов растений в насекомом путем анализа их муки. Ученые рассчитывают обнаружить еще много подобных примеров — благодаря новым достижениям в области масс-спектрометрии, а также большим базам данных спектров и новым алгоритмам идентификации подобных соединений. На следующем этапе они хотят выяснить, какой фермент используют личинки Manduca sexta для взаимной детоксикации защитных сил растений, и более подробно изучить эволюционное происхождение этого фермента.
