Растения обычно защищаются от кормления насекомых, производя токсины или отпугивающие средства. Однако многие насекомые адаптировались к защите растений и могут питаться тканями растений, содержащими токсины или сдерживающие факторы, без ожидаемых негативных последствий.
Насекомые преодолевают защитные силы растений за счет быстрого выведения, секвестрации или детоксикации токсичных веществ. Такие адаптации не только способствовали огромному разнообразию насекомых в ходе эволюции, они также способствуют успеху сельскохозяйственных вредителей, специализирующихся на определенных культурных растениях, которые ежегодно снижают урожайность сельскохозяйственных культур.Учитывая изобилие кукурузы, выращиваемой во всем мире, неудивительно, что эта культура имеет много насекомых-вредителей, в том числе личинок рода Spodoptera. В Северной и Южной Америке осенняя совка Spodoptera frugiperda является важным вредителем кукурузы, наносящим значительный ущерб.
Как и все злаки и другие представители семейства злаковых, кукуруза защищается с помощью химии. Листья молодых растений кукурузы содержат большое количество бензоксазиноида, называемого (2R) -DIMBOA-глюкозидом.
Растение также производит активный в кишечнике гусеницы фермент, который расщепляет DIMBOA-глюкозид с высвобождением сахара. Образовавшийся в результате свободный DIMBOA приводит к гибели или прекращению роста многих насекомых, но не к осеннему совому червю.Группа исследователей под руководством Даниэля Гиддингса Вассао и Джонатана Гершензона из отдела биохимии Института химической экологии Макса Планка в Йене, Германия, недавно обнаружила ранее неизвестную стратегию детоксикации этих насекомых-вредителей. Гусеницы осенней совки и двух других видов Spodoptera задействуют энзим кишечника, который катализирует присоединение сахара к свободному от токсичности DIMBOA.
Группа сахара повторно присоединяется в зеркальной ориентации (образуя (2S) -DIMBOA-глюкозид), так что растительный фермент не может удалить ее во второй раз. Ученые узнали об этом хитроумном механизме, когда проанализировали личиночные фракции. Современные и высокочувствительные методы масс-спектрометрии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса показали, что бензоксазиноид, идентифицированный в личиночной фракции, больше не идентичен веществу в листьях растений.«Мы были удивлены тем, что разница между метаболитом насекомых и исходным растительным соединением была просто стереохимической конфигурацией одного атома.
Однако решающим изменением является тот факт, что метаболит насекомых больше не реагирует с растительным ферментом и токсичным DIMBOA. «Элегантность такого механизма проистекает из его простоты, но он спасает насекомых от отравления», — сказал Фелипе Воутерс, который проводил эксперименты для своей докторской диссертации в институте, подводя итоги. Как и его коллега Даниэль Гиддингс Вассао, Фелипе Воутерс из Бразилии, где до того, как кукуруза Bt была завезена Bt-кукуруза, осенняя совка вызвала большие потери урожая кукурузы.
Согласно сообщению Reuters этим летом бразильские фермеры жалуются, что Bt больше не защищает растения от осенней совки. Возрастающая устойчивость насекомых-вредителей к Bt — еще одна причина, чтобы глубже изучить естественную адаптацию насекомых к защите растений. «Если мы сможем лучше понять, насколько этот фермент кишечника помог осеннему совому червю стать таким опасным вредителем кукурузы, мы сможем использовать это в своих интересах, ослабив этот фермент насекомого и восстановив полный защитный потенциал кукурузы против этих насекомых. вредители », — говорит Даниэль Гиддингс Вассао.Взаимодействие растений и насекомых связано с очень сложными и динамичными метаболическими процессами. Часто упускается из виду важность трехмерной структуры молекул и стереоспецифичности химических реакций. «Ключевым моментом здесь является химическая хиральность соединений», — объясняет Джонатан Гершензон, директор Департамента биохимии. «Эти насекомые могут многому научить нас, людей, о важной химической концепции, идее о том, что соединение и его зеркальное отображение отличаются, даже если атомы связаны одинаковым образом».
Термин «хиральность» происходит от греческого слова «рука» и соответствует анатомическому принципу, а именно зеркальному расположению нашей левой и правой руки. То, что две зеркальные молекулы могут иметь совершенно разные механизмы действия, стало широко известно после трагических эффектов, которые седативный препарат Контерган оказал на нерожденных детей в начале 1960-х годов. В качестве лекарственного средства химический агент талидомид был доступен в двух версиях: (S) — и (R) -талидомид.
Когда ученые попытались выяснить, какие смертельные эффекты оказывает препарат при приеме беременными женщинами, они обнаружили, что только (S) -талидомид вызывает врожденные дефекты, тогда как (R) -талидомид оказывает желаемое успокаивающее и против тошнотворное действие.Ученые Макса Планка теперь хотят идентифицировать ферменты и кодирующие гены, которые отвечают за процесс детоксикации у осенней совки. Они также хотят найти эквивалентные ферменты у родственных видов и сравнить их.
DIMBOA — только один из множества токсичных бензоксазиноидов, содержащихся в травах. Если исследователи смогут получить более полную картину того, как бензоксазиноиды метаболизируются у насекомых-вредителей, они смогут разработать более эффективные стратегии для уменьшения ущерба, наносимого вредителями.
