Рецепт из двух эпох: как хвойные деревья защищают себя от врагов

от

Хвойные деревья, такие как сосны, ели и пихты, вырабатывают липкие смолы, которые защищают их от насекомых и патогенов. Важными компонентами этой смолы являются дитерпены — особые природные вещества, отпугивающие короедов и грибы. Ферменты, которые производят эти соединения, называются дитерпеновыми синтетазами.

Исследование происхождения дитерпеновых синтетаз

Группа исследователей из Института химической экологии Общества Макса Планка в Йене, Германия, и Университета штата Айова в Эймсе, США, хотела выяснить, возникли ли эти ферменты однажды в далёком прошлом или независимо эволюционировали у разных хвойных деревьев позже.

Работа [опубликована](https://doi.org/10.1073/pnas.2510962122) в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Дитерпеновые синтетазы — это увлекательные ферменты, потому что даже незначительные структурные изменения заставляют их производить разные химические продукты. Поэтому они идеально подходят для изучения того, как растения научились производить такое огромное разнообразие защитных веществ в ходе эволюции», — сказал Эндрю О’Доннелл, первый автор исследования из отдела биохимии, объясняя отправную точку исследования.

Чтобы выяснить эволюционную историю этих ферментов, команда провела [генетический анализ](https://phys.org/tags/genetic+analyses/), чтобы реконструировать вероятные древние дитерпеновые синтетазы и изучить их в лаборатории. Учёные модифицировали эти реконструированные ферменты, чтобы наблюдать, как меняются их продукты.

«Чтобы определить продукты фермента, мы перенесли его гены в бактерии. Затем бактерии произвели для нас фермент. Мы выделили фермент, добавили подходящие исходные материалы и подробно проанализировали полученные продукты с помощью современных аналитических методов», — объяснил Аксель Шмидт, руководитель группы проекта по защите хвойных деревьев.

Результаты исследования

Чтобы определить возраст некоторых древних ферментов, исследователи должны были учесть последовательности многочисленных дитерпеновых синтетаз, а также эволюционные отношения между видами хвойных. Результат: некоторые из дитерпенов, обнаруженных в смоле современных хвойных деревьев, возникли 300 миллионов лет назад, задолго до того, как сосны, ели и пихты существовали в их нынешних формах. Другие важные дитерпены, однако, развились позже и независимо у нескольких различных видов деревьев.

Это поставило вопрос о том, почему некоторые из этих соединений развивались так долго — и всё же приводили к схожим результатам у разных видов деревьев. Центральную роль в этом процессе сыграл генетический механизм, называемый эпистазом. Новые признаки часто появляются только в том случае, если ранее произошли другие изменения.

«Потенциал растений для развития определённых веществ медленно увеличивался в течение миллионов лет, а затем резко возрос после того, как хвойные деревья отделились от других растений. Это может объяснить, почему некоторые группы растений повторно развивают одни и те же характеристики», — говорит О’Доннелл.

Сегодня смола хвойных деревьев представляет собой смесь древних и более поздних дитерпенов. Эти более поздние защитные вещества, возможно, развились, когда короеды уже существовали, что подтверждается ископаемыми находками. Несмотря на то что они следовали разным эволюционным путям, сосны, ели и пихты, вероятно, независимо развили идентичные дитерпены в качестве защиты от этих вредителей. Эта уникальная смесь древних и более поздних защитных веществ может иметь решающее значение для того, насколько хорошо деревья справляются с современными вредителями, такими как короеды.

«Способность дерева быстро адаптироваться к новым вызовам, таким как нападения короедов, зависит от изменений, которые уже произошли в его метаболизме в ходе эволюции. Эта предыстория определяет, какие новые характеристики могут развиться — и, таким образом, насколько хорошо растение адаптируется», — объясняет Джонатан Гершензон, руководитель отдела биохимии.

Исследователи теперь хотят изучить, как эволюция дитерпенов и дитерпеновых синтетаз повлияла на способность деревьев защищаться сегодня от короедов и связанных с ними видов грибов. Вероятно, для наиболее эффективной защиты от двойной угрозы со стороны жуков и грибов необходима смесь веществ.

Предоставлено [Обществом Макса Планка](https://phys.org/partners/max-planck-society/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте