Ученые смогли разгадать удивительную генетическую тайну, связанную с сахарами, содержащимися в том, что огородники называют «томатной смолой».
Любой, кто обрезал томаты без перчаток, вероятно, сталкивался с тем, что пальцы потемнели от липкой золотисто-черной субстанции, которая не полностью смывается. Эта томатная смола не зря липкая. Она сделан из сахаров (ацилсахаров) и действует как своего рода естественная липучка для потенциальных вредителей.
«Растения эволюционировали, чтобы производить так много удивительных ядов и других биологически активных соединений», — говорит исследователь из штата Университета штата Мичиган Роберт Ласт, руководитель научной работы, опубликованной в журнале Science Advances.
Лаборатория Ласта специализируется на ацилсахарах и крошечных волосоподобных структурах, в которых они производятся и хранятся, известных как трихомы. Когда-то считалось, что ацилсахара обнаруживаются исключительно в трихомах, другие исследователи недавно сообщили об обнаружении ацилсахаров и в корнях томатов. Это стало сюрпризом для научного сообщества растений.
В своем исследовании команда из Мичиганского государственного университета хотела узнать, как функционируют эти корневые ацилсахара и откуда они взялись. Они обнаружили, что растения томата не только синтезируют химически уникальные ацилсахара в своих корнях и трихомах, но и эти ацилсахара производятся двумя параллельными метаболическими путями, что можно сравнить со сборочными линиями на автомобильном заводе, которые производят две разные модели одного и того же автомобиля, но никогда не взаимодействуют друг с другом.
Эти открытия помогают ученым лучше понять устойчивость и историю эволюции пасленовых, обширного семейства растений, куда входят помидоры, баклажаны, картофель, перец, табак и петунии. Они также могут помочь исследователям, стремящимся превратить молекулы растений в соединения, которые помогут человечеству.
«От фармацевтических препаратов до пестицидов и солнцезащитных кремов — многие небольшие молекулы, которые люди адаптировали для различных целей, возникли в результате гонки вооружений между растениями, микробами и насекомыми», — сказал Ласт.
Помимо ключевых химических веществ, необходимых для роста, растения также имеют сокровищницу соединений, которые играют решающую роль во взаимодействии с окружающей средой. Они могут привлечь полезных опылителей и являются первой линией защиты от вредных организмов.
«Что примечательно в этих специализированных метаболитах, так это то, что они обычно синтезируются в очень точных клетках и тканях, — сказала Рэйчел Кервин, постдокторант Университета Мичигана и первый автор последней статьи. - Возьмем, к примеру, ацилсахара. Вы не найдете их в листьях или стеблях томата. Эти физически липкие защитные метаболиты вырабатываются прямо на кончиках трихом».
Когда стало известно, что ацилсахара можно обнаружить и в корнях томатов, Кервин восприняла это как призыв к старомодному генетическому детективу: «Присутствие этих ацилсахаров в корнях было удивительным и вызвало множество вопросов. Как это произошло, как они производятся и отличаются ли они от трихомных ацилсахаров, которые мы изучали?»
Чтобы решить загадки эволюции, сотрудники лаборатории взаимодействовали со специалистами Центра масс-спектрометрии и метаболомики университета, а также с сотрудниками Центра ядерного магнитного резонанса Макса Т. Роджерса.
Слева направо: Джейни Харт, Рэйчел Кервин и Роберт Ласт позируют перед аналитическим оборудованием в Центре масс-спектрометрии и метаболомики Мичиганского государственного университета. Фото: Коннор Йек/ Michigan State University.
При сравнении метаболитов корней и побегов томатов выявились разнообразные различия. Основной химический состав надземных и подземных ацилсахаров заметно отличался, настолько, что их можно было полностью определить как разные классы ацилсахаров.
Наконец, заслуженный профессор кафедры биохимии, молекулярной биологии и биологии растений Колледжа естественных наук Университета Мичигана предлагает полезную аналогию, объясняющую, как генетик подходит к биологии.
«Представьте, что вы пытаетесь понять, как работает автомобиль, ломая по одному компоненту за раз. Если вы спустили шины автомобиля и заметили, что двигатель все еще работает, вы обнаружили важный факт, даже если вы не знаете, что именно делают шины. Замените автомобильные детали генами, и вы получите более четкое представление о работе, проделанной лабораторией Ласта по дальнейшему взлому кода корневых ацилсахаров», поясняет он.
Изучая общедоступные данные о генетических последовательностях, Кервин заметила, что многие гены, экспрессирующиеся в производстве ацилсахара трихом томата, имеют близких родственников в корнях. После идентификации фермента, который считается первым шагом в биосинтезе ацилсахара в корнях, исследователи начали «ломать машину».
Когда они выбили ген-кандидат корневого ацилсахара, производство корневого ацилсахара исчезло, оставив производство ацилсахара в трихомах нетронутым. Между тем, когда хорошо изученный ген ацилсахара трихомы был нокаутирован, производство ацилсахара в корнях продолжалось как обычно.
Эти результаты предоставили поразительное доказательство предполагаемого метаболического отзеркаливания.
«Помимо надземного пути ацилсахара, который мы изучали в течение многих лет, здесь мы обнаруживаем вторую параллельную вселенную, существующую под землей», — сказал Ласт.
«Это подтвердило, что на одном растении сосуществуют два пути», — добавила Кервин.
Чтобы доказать этот прорыв, Джейни Харт, научный сотрудник и второй автор статьи, внимательно изучила функции трихом и корневых ферментов. Поскольку ферменты трихом и вырабатываемые ими ацилсахара хорошо изучены, она также обнаружила многообещающую связь между корневыми ферментами и корневыми ацилсахарами.
«Изучение изолированных ферментов — мощный инструмент для установления их активности и получения выводов об их функциональной роли внутри растительной клетки», — пояснила Харт.
Эти результаты стали еще одним доказательством параллельных метаболических путей , существующих в одном растении томата.
«Растения и автомобили настолько разные, но похожи в том, что когда вы открываете пресловутый капот, вы осознаете множество частей и соединений, которые заставляют их функционировать. Работа дает нам новые знания об одной из этих частей растений томата и подсказывает дальнейшие действия. исследования его эволюции и функционирования и того, можем ли мы использовать его другими способами. Чем больше мы узнаем о живых существах — от помидоров и других культур до животных и микробов — тем шире возможности использовать эти знания на благо общества», — сказал Панкадж Джайсвал, директор программы Национального научного фонда США.
В статье также сообщается об увлекательном и неожиданном повороте событий, связанном с кластерами биосинтетических генов, или BGC. BGC представляют собой наборы генов, которые физически сгруппированы на хромосоме и участвуют в определенном метаболическом пути.
Ранее лаборатория Ласта идентифицировала BGC, содержащий гены, связанные с трихомными ацилсахарами в растениях томата. Кервин, Харт и их коллеги обнаружили, что фермент ацилсахара, экспрессируемый в корне, находится в том же кластере.
«Обычно в BGC гены совместно экспрессируются в одних и тех же тканях и в одинаковых условиях. Но здесь мы имеем две отдельные, но взаимосвязанные группы генов. Некоторые экспрессируются в трихомах, а некоторые — в корнях», — говорит Кервин.
Это открытие побудило погрузиться в эволюционную траекторию видов пасленовых в надежде определить, когда и как развились эти два уникальных пути ацилсахара.
В частности, исследователи обратили внимание на момент около 19 миллионов лет назад, когда был дублирован фермент, ответственный за ацилсахары трихом. Однажды этот фермент будет отвечать за недавно открытый путь ацилсахара, экспрессируемый в корнях.
Точный механизм, который «включил» этот фермент в корнях, остается неизвестным, что открывает для лаборатории Ласта путь к продолжению раскрытия эволюционных и метаболических секретов семейства пасленовых. Работа также является напоминанием о важности природных пестицидов, которые в конечном итоге представляют собой защитные метаболиты, такие как ацилсахара.
«Если мы обнаружим, что эти корневые ацилсахара эффективны в отпугивании вредных организмов, можно ли их скрестить с другими пасленовыми, тем самым помогая растениям расти без необходимости использования синтетических фунгицидов и пестицидов?» - ответ на вопрос ученые также собираются найти.
Источник и фото: Michigan State University.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.