Цветковые растения зависят от переносчиков пыльцы для размножения. Однако у растения есть проблема, если опылитель, которого привлекает запах сладких цветов, откладывает яйца на растение после завершения опыления, и из этих яиц вылупляются прожорливые гусеницы, готовые атаковать вкусные листья своим огромным аппетитом.
Ученые из Института химической экологии Макса Планка обнаружили у дикого вида табака Nicotiana attuata ген под названием NaTPS38, который регулирует выработку ароматического соединения, сесквитерпена (E) -альфа-бергамотина, как в цветках, так и в листьях. "Мы заметили, что растения Nicotiana attuata выделяют (E) -альфа-бергамотин в цветках ночью, чтобы заманить бабочек Manduca sexta в качестве опылителей. Это соединение заставляет моль дольше сохранять хоботок в цветке, и успех опыления увеличивается.
Однако выделение того же соединения в листьях, подвергшихся нападению личинок Manduca sexta в течение дня, привлекает хищников личинок и действует как косвенная защита », — резюмирует первый автор Вену Чжоу. Таким образом, тканеспецифическая эмиссия одного соединения помогает диким растениям табака наиболее эффективно взаимодействовать с Manduca sexta.
В исследовании приняли участие исследователи из четырех разных групп. Первоначально Вену Чжоу и руководитель проекта Шуцин Сюй из Департамента молекулярной экологии хотели изучить генетическую основу выброса (E) -альфа-бергамотена после травоядных животных.
Они обнаружили, что терпенсинтаза NaTPS38 активируется, когда насекомые атакуют растения табака. Исследователи из отдела биохимии смогли подтвердить, что NaTPS38 действительно участвует в производстве (E) -альфа-бергамотена. Когда исследователи изучили экспрессию NaTPS38 в различных частях растений табака, они, к своему удивлению, обнаружили, что этот ген также сильно экспрессируется в цветках. Однако экологическая функция эмиссии (E) -альфа-бергамотена цветами все еще оставалась неясной.
Тот факт, что цветочный (E) -альфа-бергамотин выделяется в основном в ночное время, привел к гипотезе о том, что это соединение взаимодействует с ночными опылителями, особенно с молью Manduca sexta.
Дальнейшие анализы в отделении нейроэтологии показали, что очищенный (E) -альфа-бергамотин активировал нервные рецепторы на кончике хоботка моли Manduca sexta.
Эксперименты в палатке с табачными растениями и бражниками, проведенные исследователями из Департамента молекулярной экологии, показали, что успех опыления повышается, когда цветы выделяют большое количество (E) -альфа-бергамотина.
Хотя ген NaTPS38 очень похож на монотерпен-синтазу, он, тем не менее, отвечает за производство сесквитерпен (E) -альфа-бергамотена. Обычно ген из семейства сесквитерпенсинтаз регулирует выработку такого соединения, но в этом случае оказывается, что ген NaTPS38 нарушает это общее правило. Анализ функции и истории эволюции NaTPS38 показал, что этот ген произошел от дупликации монотерпен-синтазы, которая затем развила способность продуцировать (E) -альфа-бергамотен, сесквитерпеновое соединение.
Этот уникальный эволюционный процесс, вероятно, произошел до расхождения различных видов пасленовых, семейства растений, в которое входит табак.
Тот факт, что единственный ген у Nicotiana attuata опосредует как опыление, так и защиту, продуцируя тканеспецифичный (E) -альфа-бергамотин, является примером явления, называемого экологической плейотропией. "Накапливающиеся данные свидетельствуют о том, что экологическая плейотропия может быть довольно распространенным явлением у растений. Наша работа демонстрирует, что взаимодействие между различными экологическими факторами, такими как опылители и травоядные животные, важно для эволюции растений. Однако мы мало знаем о том, в какой степени эти взаимодействия могут повлиять на адаптацию растения к окружающей среде », — объясняет Шуцин Сюй.
В настоящее время ученые разрабатывают новую исследовательскую программу, направленную на систематическое рассмотрение этого вопроса.