Смолы, выделяемые хвойными породами деревьев, такими как сосны, ели и пихты, служат барьером против насекомых и болезнетворных микроорганизмов. Ключевые элементы этой смолы – дитерпены, специфические натуральные вещества, отпугивающие короедов и грибки. Синтез этих соединений обеспечивается ферментами, известными как дитерпенсинтазы.
Группа ученых из Института химической экологии Общества Макса Планка (Йена, Германия) и Университета штата Айова (Эймс, США) задалась вопросом: возникли ли эти ферменты единожды в далеком прошлом или же эволюционировали независимо у различных хвойных в более позднее время?
«Дитерпенсинтазы – это уникальные ферменты, поскольку даже незначительные изменения в их строении приводят к производству разных химических веществ. Это делает их идеальными объектами для изучения того, как растения в процессе эволюции научились создавать такое многообразие защитных соединений», – пояснил Эндрю О'Доннелл, ведущий автор исследования.
Для выяснения эволюционной истории этих ферментов, команда провела генетический анализ с целью восстановления вероятных предковых дитерпенсинтаз и их изучения в лабораторных условиях. Реконструированные ферменты были модифицированы для наблюдения за изменениями в производимых ими веществах.
«Для определения продуктов, синтезируемых ферментом, мы переносили соответствующие гены в бактерии. Бактерии производили фермент, который мы выделяли, добавляли необходимые реагенты и детально анализировали полученные продукты с использованием современных аналитических методов», – отметил Аксель Шмидт, руководитель группы по защите хвойных растений.
Для оценки возраста некоторых предковых ферментов ученые проанализировали последовательности множества дитерпенсинтаз и эволюционные взаимосвязи между видами хвойных. В итоге, некоторые дитерпены, содержащиеся в современной хвойной смоле, возникли 300 миллионов лет назад, задолго до появления сосны, ели и пихты в их нынешнем виде. Однако другие важные дитерпены возникли позднее и независимо у нескольких видов деревьев.
Это ставит вопрос о том, почему некоторые из этих соединений развивались столь длительное время, но приводили к сходным результатам у разных видов деревьев. Ключевую роль в этом процессе сыграл генетический механизм, именуемый эпистазом. Новые признаки часто проявляются только после предшествующих изменений.
«Способность растений синтезировать определенные вещества возрастала постепенно на протяжении миллионов лет, а затем резко повысилась после отделения хвойных от других растений. Это может объяснить, почему некоторые группы растений неоднократно приобретают схожие адаптивные признаки», – говорит О'Доннелл.
Современная смола хвойных деревьев представляет собой комбинацию древних и более современных дитерпенов. Эти более современные защитные вещества, вероятно, возникли в эпоху существования короедов, что подтверждается ископаемыми находками. Несмотря на разные эволюционные пути, сосна, ель и пихта, вероятно, независимо друг от друга выработали идентичные дитерпены для защиты от данных вредителей. Эта уникальная смесь древних и более современных защитных веществ может быть решающей для эффективности защиты деревьев от современных вредителей, в частности короедов.
«Способность дерева быстро адаптироваться к новым угрозам, таким как нападение короедов, зависит от изменений, которые уже произошли в его метаболизме в процессе эволюции. Эта история определяет, какие новые характеристики могут развиться, и, следовательно, насколько успешно растение адаптируется», – поясняет Джонатан Гершензон.
В дальнейшем исследователи планируют изучить, как эволюция дитерпенов и дитерпенсинтаз повлияла на способность современных деревьев сопротивляться как короедам, так и связанным с ними грибкам. Для максимально эффективной защиты от двойной угрозы – жуков и грибов – вероятно, необходима комбинация различных веществ.
Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Изображение: phys.org
