Естественная альтернатива пестицидам может скрываться в малоизученном растительном соединении — но это может иметь свою цену для окружающей среды.
В течение многих лет учёные мало знали об изопрене — природном химическом веществе, производимом растениями. Новое исследование, проведённое в Университете штата Мичиган, спустя 40 лет проливает свет на то, как это природное химическое вещество может отпугивать насекомых — и как некоторые растения, которые обычно не производят изопрен, могут активировать его производство в периоды стресса.
Том Шарки, заслуженный профессор Университета штата Мичиган в Лаборатории исследований растений Департамента энергетики, Институте устойчивости растений MSU и на кафедре биохимии и молекулярной биологии, изучал изопрен большую часть своей карьеры. Теперь его лаборатория опубликовала результаты, которые могут проложить путь для создания более устойчивых к изменениям окружающей среды и нашествиям вредителей растений.
Изопрен как защита растений
Статья команды в Science Advances раскрывает гормональный ответ, запускаемый изопреном, который заставляет насекомых держаться подальше от этих растений. Насекомые, которые ели обработанные изопреном листья, испытывали расстройство желудка из-за неперевариваемых белков, которые активируются при наличии соединения. Эти белки также тормозят рост червей, которые осмеливаются продолжать их есть.
Другая статья, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что соевые бобы производят изопрен, когда их листья повреждены. Это открытие было особенно удивительным, поскольку ранее исследователи считали, что современные сельскохозяйственные культуры не производят изопрен. Эта способность может сделать культуры более устойчивыми к жаре и вредителям.
Но это преимущество может иметь свою цену. Изопрен — это углеводород, который ухудшает качество воздуха, особенно в районах с плохим качеством воздуха. Если больше сельскохозяйственных растений будет генетически модифицировано для выделения изопрена, это может ещё больше повредить атмосфере Земли.
Изопрен и его влияние на атмосферу
Изопрен — один из наиболее часто выделяемых углеводородов на Земле, уступающий только выбросам метана в результате деятельности человека. Эти органические соединения взаимодействуют с солнечным светом и оксидом азота из угольных предприятий и автомобильных выбросов, создавая токсичную смесь озона, аэрозолей и других вредных побочных продуктов.
Не все растения производят изопрен, и те, которые его производят, выделяют больше в жаркую погоду. Изопрен в основном содержится в дубах и тополях, но, в отличие от похожих молекул в соснах и эвкалиптах, изопрен не имеет запаха.
Учёные считают, что выделение изопрена помогает стабилизировать растения и нейтрализовать стрессовые реакции. Растения, выделяющие изопрен, также считаются устойчивыми к вредителям, хотя до недавнего времени мало кто изучал, почему это так.
Однако, когда растения производят больше изопрена, они жертвуют частью своего потенциала роста. Когда растения производят изопрен, они отвлекают углерод от роста и хранения и вместо этого инвестируют в свою защиту. Некоторые считают, что именно поэтому многие растения эволюционировали, чтобы избавиться от синтеза изопрена.
Шарки впервые заинтересовался изопреном ещё будучи аспирантом Университета штата Мичиган. Основываясь на простом анализе затрат и выгод, он знал, что должна быть выгода от сохранения гена, производящего изопрен. Он посвятил большую часть своей карьеры, сначала в Университете Висконсин, а теперь в MSU, поиску этой выгоды.
Эксперименты с изопреном
Нашествие белокрылки в теплице Университета штата Мичиган стало первым тестом того, как изопрен защищает растения от насекомых. Лаборатория Шарки вырастила в теплице два вида табачных растений: одно, генетически модифицированное для выделения изопрена, и другое, не выделяющее его. Даже случайному наблюдателю было очевидно, что белокрылки предпочитали растение, не выделяющее изопрен.
Исследователи проверили свою теорию, наблюдая за табачными бражниками. Черви яростно атаковали листья, не выделяющие изопрен, оставляя другие в покое. Через 10 дней бражники, которые ели только листья, выделяющие изопрен, были значительно меньше, чем те, которые питались необработанными листьями.
Сам по себе изопрен не отпугивает насекомых. Вместо этого изопрен запускает увеличение содержания жасмона, молекулы, которая снижает способность насекомых переваривать белки и замедляет их рост.
«Защита была не самим изопреном, а следствием того, что изопрен сделал с растением», — сказал Шарки.
До недавнего времени учёные считали, что сельскохозяйственные культуры, такие как соевые бобы и кукуруза, не производят изопрен, потому что их способность делать это была утрачена в ходе эволюции. Затем, в 2022 году, исследователи обнаружили два неповреждённых гена изопренсинтазы (ISPS) в соевых бобах. Шарки решил проверить, могут ли экологические стрессы активировать спящий ген ISPS.
Чтобы проверить это, они зажали листья соевых бобов и повредили их. Листья ответили небольшим выбросом изопрена. Шарки сказал, что это означает, что соевые бобы могут делать изопрен, когда это необходимо, но могут отключить процесс в нормальных условиях.
Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, как эта способность защищает соевые бобы от стрессов, а также выяснить, запускается ли производство изопрена экстремальной жарой. Шарки обеспокоен потенциальным воздействием соевых бобов на атмосферу, если они будут выделять изопрен во время всё более частых периодов жары.
«Что движет мной больше всего, так это то, что я думаю, мы должны понимать эти большие вещи, — сказал Шарки. — Изопрен — это крупнейший источник углеводородов в атмосфере. Мы должны его понимать».