Ученые раскрыли эволюционный секрет защиты хвойных деревьев от вредителей

В лаборатории Эндрю О’Доннелл выделяет дитерпены из смолы в стволе ели европейской. На заднем плане Аксель Шмидт, руководитель проектной группы «Защита хвойных», и Джонатан Гершензон, заведующий отделом биохимии. Автор: Ангела Овермайер, Институт химической экологии Макса Планка

Хвойные деревья, такие как сосны, ели и пихты, производят липкую смолу, которая защищает их от насекомых и патогенов. Важными компонентами этой смолы являются дитерпены — особые природные вещества, отпугивающие короедов и грибки. Ферменты, производящие эти соединения, называются дитерпенсинтазами.

Исследовательская группа из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) и Университета штата Айова в Эймсе (США) выяснила, произошли ли эти ферменты от одного общего предка в далеком прошлом или же развивались независимо у разных хвойных в более позднее время.

Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Дитерпенсинтазы — это увлекательные ферменты, потому что даже незначительные структурные изменения заставляют их производить разные химические продукты. Поэтому они идеально подходят для изучения того, как растения в ходе эволюции пришли к производству такого огромного разнообразия защитных веществ», — пояснил отправную точку исследования первый автор работы Эндрю О’Доннелл.

Путешествие в эволюционное прошлое ферментов

Чтобы раскрыть эволюционную историю этих ферментов, команда провела генетический анализ, чтобы реконструировать вероятных предков дитерпенсинтаз и изучить их в лаборатории. Ученые модифицировали эти реконструированные ферменты, чтобы наблюдать, как меняются их продукты.

«Чтобы определить продукты фермента, мы переносили его гены в бактерии. Бактерии затем производили для нас фермент. Мы выделяли фермент, добавляли подходящие исходные материалы и детально анализировали полученные продукты с помощью современных аналитических методов», — объяснил Аксель Шмидт.

Результат показал, что некоторые из дитерпенов, обнаруженных в смоле современных хвойных, возникли 300 миллионов лет назад, задолго до появления сосен, елей и пихт в их нынешних формах. Другие важные дитерпены, однако, развились позже и независимо у нескольких различных видов деревьев.

Эндрю О’Доннелл перед системой визуализации гелей. Изображение геля визуализирует очищенные ферменты предковых терпенсинтаз, изученные в исследовании. Автор: Ангела Овермайер, Институт химической экологии Макса Планка

Почему эволюция иногда занимает очень много времени

Это подняло вопрос о том, почему развитие некоторых из этих соединений заняло так много времени, но привело к схожим результатам у разных видов деревьев. Ключевую 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 определенных веществ медленно увеличивался в течение миллионов лет, а затем резко возрос после того, как хвойные отделились от других растений. Это может объяснить, почему некоторые группы растений неоднократно развивают одни и те же характеристики», — говорит О’Доннелл.

Защита от короедов

Сегодня смола хвойных представляет собой смесь древних и более поздних дитерпенов. Эти более современные защитные вещества, вероятно, развились, когда короеды уже существовали, что подтверждается ископаемыми находками. Несмотря на разные эволюционные пути, сосны, ели и пихты, вероятно, независимо друг от друга выработали идентичные дитерпены в качестве защиты от этих вредителей.

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

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