Сахар известен как накопитель энергии в растениях, которым вдобавок не прочь полакомиться насекомые. Но если верить ученым из Института химической экологии Макса Планка, сахара также могут быть частью смертельно опасной игры между растением и насекомым. Злаки и, в том числе, такие культурные растения, как кукуруза используют сахара в химических соединениях под названием бензоксазины, которые позволяют им защититься от отравления собственными защитными средствами. Так что, когда насекомые начинают кормиться, растительный фермент удаляет сахар и задействует активный токсин.
Ученые из Института Макса Планка наконец-то выяснили, почему эта оборонительная стратегия не работает против личинок совки. Когда исследователи изучили экскременты этих насекомых-вредителей, которые причиняют огромный ущерб урожаю, они обнаружили токсин все еще связанный с сахаром. После того как растение удаляет сахар, насекомое снова подключает его, но в противоположной стереохимической конфигурации. В отличие от исходного растительного соединения, новое вещество больше не может быть расщеплено растительным ферментом, чтобы генерировать токсин. Прикрепление сахара в противоположной конфигурации оказалось очень простой, но эффективной стратегией детоксикации, которая объясняет успех различных видов Spodoptera.
Растения, как правило, защищаются от поедания насекомыми, производя токсичные или отпугивающие вещества. Тем не менее, многие насекомые приспособились к обороне растений и вполне могут питаться растительными тканями, содержащими токсины или отпугивающие вещества, без ожидаемых негативных последствий. Насекомые преодолевают оборону растений при помощи быстрой экскреции, поглощения или детоксикации токсичных веществ. Мало того, что подобные адаптации способствовали появлению огромного разнообразия видов насекомых в процессе эволюции, они вдобавок являются причиной успеха сельскохозяйственных вредителей, специализирующихся на определенных сельскохозяйственных культурах и ежегодно ставящих под угрозу урожаи.
Учитывая то количество кукурузы, которое выращивается по всему миру, не удивительно, что у этой культуры существует множество насекомых-вредителей, в том числе и личинки рода Spodoptera. В Северной и Южной Америке, кукурузная листовая совка (Spodoptera frugiperda) является серьезным вредителем кукурузы и причиняет значительный ущерб. Как все зерновые и другие злаковые, кукуруза самостоятельно защищается при помощи химии. Листья молодых растений кукурузы содержат большое количество бензоксазинов, известных под названием (2R)-DIMBOA-глюкозид. Это растение также производит активизирующийся в кишечнике гусениц фермент, который расщепляет DIMBOA-глюкозид и высвобождает сахар. Образующийся в результате подобной реакции свободный DIMBOA убивает многих насекомых или останавливает их рост, но совершенно безопасен для кукурузной листовой совки.
Группа исследователей во главе с Даниэлем Гиддингсом Вассао и Джонатаном Гершензоном с кафедры биохимии в Институте химической экологии Макса Планка в Йене, Германия, недавно обнаружили у этих насекомых-вредителей ранее неизвестную стратегию детоксикации. Гусеницы кукурузной совки и два других вида рода Spodoptera используют кишечный фермент, который катализирует присоединение сахара к нетоксичному DIMBOA. Группа сахара присоединяется обратно в противоположной ориентации (формируя (2S)-DIMBOA-глюкозид), так что растительному ферменту не удается удалить его во второй раз. Ученые узнали об этом хитром механизме, когда анализировали экскременты пилильщика. Современные и очень чувствительные методы масс-спектрометрии и ядерной магнитно-резонансной спектроскопии показали, что бензоксазины, присутствовавшие в экскрементах личинок, больше не идентичны веществу из листьев растения.
«Мы были удивлены, что разница между метаболитом насекомых и исходным растительным соединением заключалась всего лишь в простой стереохимической конфигурации одного атома. Однако это кардинальное изменение является причиной того, что метаболит насекомых больше не реагирует на фермент растений и токсичный DIMBOA больше не может быть сформирован. Элегантность подобного механизма заключается в его простоте, которая при этом спасает насекомых от отравления», — объясняет Фелипе Вутерс, выполнявший в институте эксперименты для своей докторской диссертации.
Как и его коллега Даниэль Гиддингс Вассао, Фелипе Вутерс родом из Бразилии, где кукурузная совка причиняла серьезный ущерб урожаю кукурузы до введения трансгенной Bt-кукурузы. Согласно докладу новостного агентства Рейтер, этим летом бразильские фермеры жалуются, что Bt-токсин больше не защищает растения от совки. Растущая устойчивость насекомых-вредителей к Bt-токсину является еще одной причиной глубже понять естественные механизмы приспособления насекомых к защите растений.
«Если нам удастся лучше разобраться в том, насколько этот кишечный фермент помогает совке оставаться таким опасным для кукурузы вредителем, то мы сможем использовать это в своих интересах, разрушив этот фермент насекомых и восстановив полноценный оборонительный потенциал кукурузы от ее вредителей», — отмечает Дэниел Гиддингс Вассао.
Взаимодействия растений и насекомых включают очень сложные и динамические обменные процессы. Зачастую из виду упускается важность трехмерной структуры молекул и стереоспецифичность химических реакций.
«Хиральность соединений (свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением) является ключевой для данного случая, — объясняет глава Факультета биохимии, Джонатан Гершензон. — Эти насекомые могут многое дать людям для понимания этой важной химической концепции, идеи, что соединение и его зеркальное отражение различны, хотя атомы и связаны точно таким же образом».
Термин «хиральность» происходит от греческого слова, обозначающего руку, и соответствует анатомическому принципу, а именно зеркальному взаимодействию наших левой и правой рук. То, что две зеркальных молекулы могут обладать совершенно разным образом действий, стало широко известно вследствие трагического воздействия седативного препарата Contergan на человеческие эмбрионы в начале 1960-х годов. Как лекарство, химическое вещество талидомид было доступно в двух версиях, (S)- и (R)-талидомид. Когда ученые попытались выяснить роковые последствия воздействия препарата, при приеме его беременными женщинами, они обнаружили, что только (S)-талидомид вызывал появление врожденных дефектов, в то время как (R)-талидомид обладал лишь ожидаемыми успокаивающим и противотошнотным эффектами.
Теперь ученые из Института Макса Планка хотят идентифицировать ферменты и кодирующие гены, которые отвечают за процесс детоксикации у кукурузной совки. Они также планируют заняться поиском эквивалентных ферментов у родственных видов и сравнить их. DIMBOA является лишь одним из огромного количества различных токсических бензоксазинов, присутствующих в злаках. Если исследователям удастся получить более полное представление о том, как бензоксазины метаболизируются в насекомых-вредителях, то они смогут разрабатывать более эффективные стратегии, позволяющие уменьшить причиняемый вредителями ущерб.
Источник: agroxxi.ru