Некоторые растения производят собственный пестицид, но это имеет свои минусы.
Естественная альтернатива пестицидам
Естественной альтернативой пестицидам может стать малоизученное растительное соединение — но это может иметь экологические последствия.
В течение многих лет учёные мало знали об изопрене — природном химическом веществе, производимом растениями. Новое исследование, над которым работали 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.
Профессор Том Шарки и его лаборатория
Том Шарки, профессор лаборатории исследований растений при Мичиганском государственном университете (MSU), Института устойчивости растений MSU и кафедры 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.
Статья команды в журнале Science Advances раскрывает гормональный ответ, запускаемый изопреном, который заставляет насекомых держаться подальше от этих растений. Насекомые, которые питались обработанными изопреном листьями, испытывали расстройство желудка из-за неперевариваемых белков, которые активируются при наличии соединения. Эти белки также замедляют рост червей, которые осмеливаются продолжать их есть.
Изопрен в соевых бобах
Другая статья 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 усугубляет загрязнение воздуха, особенно в районах с плохим качеством воздуха. Если больше сельскохозяйственных культур будут генетически модифицированы для выделения изопрена, это может ещё больше повредить атмосфере Земли. Исследование также имеет значение для понимания того, как соевые бобы могут влиять на загрязнение воздуха.
«Это один из вопросов, который наиболее важно решить в результате этого исследования, — говорит Шарки. — Следует ли нам добавлять изопрен в сельскохозяйственные культуры, чтобы они были защищены от насекомых, и мириться с их воздействием на озоновый слой? Или нам следует генетически модифицировать растения, чтобы максимально отключить синтез изопрена, чтобы улучшить атмосферу?»
Изучение изопрена
Изопрен — это 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-за сжигания угля и автомобильных выбросов, создавая токсичную смесь озона, аэрозолей и других вредных побочных продуктов.
Не все растения производят изопрен, и те, которые его производят, как правило, выделяют больше в жаркую погоду. Изопрен в основном содержится в дубах и тополях, но, в отличие от подобных молекул в соснах и эвкалиптах, изопрен не имеет запаха.
«Все понимают, как это пахнет, когда идёшь через сосновый лес, — говорит Шарки. — В дубраве, где больше углеводородов, потому что он производит так много изопрена, вы этого не замечаете».
Растения, производящие изопрен, выделяют больше этого соединения в жаркие летние дни. Учёные считают, что это помогает стабилизировать растения и нейтрализовать стрессовые реакции. Считается, что растения, выделяющие изопрен, также устойчивы к вредителям, хотя до сих пор мало изучалось, почему это так. Но по мере того, как растения производят больше изопрена, они жертвуют частью своего потенциала роста. Когда растения производят изопрен, они направляют углерод не на рост и накопление, а на защиту. Некоторые считают, что именно поэтому многие растения эволюционировали, чтобы избавиться от синтеза изопрена.
Шарки впервые заинтересовался изопреном ещё будучи аспирантом. Основываясь на простом анализе затрат и выгод, он знал, что должна быть выгода от сохранения гена, производящего изопрен. Он посвятил большую часть своей карьеры поиску этой выгоды.
Как это работает?
Нашествие белокрылок в теплице MSU 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, а другое — нет. Даже обычному наблюдателю было очевидно, что белокрылки предпочитали растение, не выделяющее изопрен.
Исследователи проверили свою теорию дальше, наблюдая за табачными рогатыми червями. Черви яростно атаковали листья, не выделяющие изопрен, оставляя другие в покое. Через 10 дней черви, 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 вызывает увеличение содержания жасмоната — молекулы, которая снижает способность насекомых переваривать белки и замедляет их рост.
«Защита была не сам изопрен, а следствие того, что изопрен сделал с растением», — говорит Шарки.
Соевые бобы и изопрен
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 поэкспериментировать, могут ли экологические стрессы активировать спящий ген ISPS.
Чтобы проверить это, они зажимали листья соевых бобов и повреждали их. Листья ответили небольшим выбросом изопрена. Шарки говорит, что это означает, что соевые бобы могут делать всё: они способны производить изопрен, когда это необходимо, но могут отключить этот 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 меня больше всего движет, так это то, что я думаю, мы должны это понять, — говорит Шарки. — Изопрен — это крупнейший источник углеводородов в атмосфере. Мы должны это понять».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Институтом устойчивости растений MSU и MSU AgBioResearch.
Источник: Мичиганский государственный университет.