Учитывая огромное количество потенциальных врагов, растения устойчивы к большинству вредителей, даже если они могут нанести ущерб другим растениям. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science , исследователи из Института химической экологии имени Макса Планка описывают недавно обнаруженный механизм, который защищает дикие виды табака от цикад, сосущих сок растений. Комбинируя различные методы генетического скрининга с изучением химических изменений в листьях табака, они идентифицировали ранее неизвестное защитное вещество, важное для устойчивости табака к цикадкам, и охарактеризовали гены его биосинтеза.
Растения находятся в самом низу пищевой цепи, и им постоянно угрожают патогены и травоядные насекомые. Но подавляющее большинство злоумышленников не могут нанести никакого ущерба из-за широко распространенной устойчивости растений, также известной как устойчивость не-хозяина. Это сопротивление является постоянным и эффективным. Однако механизмы, которые приводят к этой устойчивости, особенно к травоядным вредителям, в значительной степени неизвестны. В новом исследовании исследователи из Института химической экологии им. Макса Планка смогли идентифицировать химическое вещество , отвечающее за устойчивость растений Nicotiana attenuata к сосущим цикадкам (Empoasca spp.), и гены, необходимые для его производства. «Наше исследование показало, как местные растения используют химические вещества.перепрограммирование, чтобы защитить себя от оппортунистических цикадок в природе», — говорит первый автор Юэчен Бай, подводя итоги.
В 2004 году ученые института уже обнаружили в полевых исследованиях, что растения табака нарушают свой защитно-сигнальный каскад на основе растительного гормона жасмоновой кислоты .были атакованы цикадками, насекомыми, которые обычно не способны нанести вред растениям табака с функциональной защитой. Работа доказала, что в природе растения постоянно «испытываются» травоядными насекомыми, чтобы выяснить, могут ли они служить источником пищи; однако в большинстве случаев растения способны эффективно защищаться. В соответствии с этими выводами другое исследование института показало, что цикадки колонизировали те самые растения в естественных популяциях табака, у которых сигнальный путь жасмоновой кислоты был слабее, чем у других растений табака. «Однако в то время еще было неизвестно, какие конкретные защитные механизмы, запускаемые жасмоновой кислотой, ответственны за устойчивость к цикадкам», — объясняет Дапэн Ли, один из руководителей исследования.
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые скрестили 26 генетически различных естественных родительских линий. Эта популяция, которую исследовательская группа скрещивала по фиксированной схеме в общей сложности в течение девяти лет, была высажена в ее естественной среде обитания в Аризоне, США, где ее могли атаковать условно-патогенные цикадки. Когда цикадки атаковали эти растения, тяжесть повреждений помогла определить генетическую основу, которая сделала это конкретное растение растением-хозяином для цикадок, пользующихся слабой защитой.
Исследователи также изучили, какие химические изменения вызываются в растениях после атаки и какие гены активируются. Они обнаружили новое нестабильное вещество, для которого использовали аббревиатуру CPH (кофеоилпутресцин-зелено-лиственное летучее соединение), ответственное за постоянную устойчивость к цикадкам. Благодаря биоинформационным исследованиям и использованию растений, которые были специально модифицированы в определенных генах защиты и передачи сигналов, они смогли показать, какие три метаболических пути участвуют в производстве этого химического вещества. Наконец, исследователям даже удалось воссоздать путь биосинтеза защитного вещества CPH в двух родственных растениях, полевой фасоли Vicia faba и томате Solanum chilense, и продемонстрировать его эффективность против цикад.
«Сочетая сложные методы молекулярной биологии и химического анализа, мы смогли идентифицировать и охарактеризовать не только ранее неизвестное защитное вещество, но и гены, ответственные за его синтез», — объясняет Ян Болдуин и продолжает: «Наш подход можно описать как «Генетика, ориентированная на естественную историю. Естественная история и наблюдение за пищевым поведением цикад привели нас к процессу открытия. Потому что когда дело доходит до химии, природа остается матерью изобретений».
В дальнейших исследованиях исследователи хотят выяснить, как координируется синтез этой химической защиты в растении и какие другие факторы и специфические регуляторы имеют решающее значение для ее производства, особенно в естественных условиях. Цикадки рода Empoasca, особенно картофельная цикадка Empoasca fabae, могут нанести серьезный ущерб урожаю, высасывая листья молодых растений и перенося вирусные заболевания. Более высокие температуры привели к угрожающему распространению этих насекомых. Это фундаментальное исследование по борьбе с таким вредителем может дать ценную информацию о постоянном улучшении устойчивости .в сельскохозяйственных культурах, особенно в контексте новых требований к сельскому хозяйству, вызванных изменением климата.
