В пасленовых растениях нашли скрытые таланты для защиты здоровья культур и человека

эксклюзив 🔹

Исследователи из Института химической экологии Общества Макса Планка определили GAME15 как ключевой белок, регулирующий биосинтез как стероидных гликоалкалоидов, так и стероидных сапонинов в растениях рода Solanum – пасленовых.

Исследование, опубликованное в журнале Science, показывает, что этот белок необходим для образования этих натуральных продуктов из предшественника холестерина. Растения паслена черного (Solanum nigrum), которые больше не могли производить белок и, следовательно, стероидные сапонины, были более восприимчивы к таким насекомым, как цикадки и колорадские жуки.

Эти результаты открывают новые перспективы для производства высококачественных стероидных молекул для медицинского применения и могут способствовать разработке целевых стратегий борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

Биосинтетический путь специфических стероидных соединений в пасленовых растениях (таких как картофель, томаты и баклажаны) начинается с холестерина. Несколько исследований изучали ферменты, участвующие в образовании стероидных гликоалкалоидов. Хотя гены, ответственные за производство структур специализированных стероидных метаболитов, известны, успешное восстановление этих соединений в других растениях пока не удалось.

Проектная группа «Специализированный метаболизм стероидов в растениях» кафедры биосинтеза натуральных продуктов под руководством Прашанта Сонавана, который в настоящее время является доцентом в Университете Миссури в США, поставила перед собой задачу найти недостающую часть головоломки.

«В нашем исследовательском проекте мы особенно хотели выяснить, какой важный компонент пути биосинтеза до сих пор оставался скрытым от исследований и какую роль этот ген или белок играет в этом пути. Мы также хотели выяснить, сможем ли мы восстановить путь биосинтеза после идентификации недостающего компонента. Важным аспектом нашего исследования также было узнать больше об экологической роли стероидных сапонинов в растениях. Мы определили, что GAME15 — ранее неизвестный, но важный игрок в биосинтезе стероидных молекул в Solanum», — говорит Прашант Сонаване, описывая задачи исследования.

Исследовательская группа использовала для исследований дикорастущее растение Solanum nigrum (паслен черный), поскольку оно вырабатывает различные стероидные соединения в разных тканях, все из которых происходят из одного и того же предшественника — холестерина.

В листьях наиболее важным стероидным метаболитом является сапонин, называемый уттрозид B, тогда как в ягодах наиболее важными соединениями являются стероидные гликоалкалоиды, такие как α-соласонин, α-соламаргин и малонил-соламаргин. Ферменты GAME6, GAME8 и GAME11 участвуют в образовании обоих типов соединений и встречаются как в листьях, так и в ягодах.

Конфокальная микроскопия использовалась для определения того, где эти ферменты находятся в клетках. С помощью биохимического и молекулярно-биологического анализа исследователи идентифицировали ген, ответственный за белок под названием GAME15.

Хотя GAME15 принадлежит к семейству белков, подобных целлюлозосинтазе, он не выполняет функции в производстве целлюлозы. Вместо этого он важен для биосинтеза стероидных соединений, хотя и не имеет каталитической функции, как другие ферменты.

«Наши эксперименты по взаимодействию белков показали, что GAME15 взаимодействует с ферментами GAME6, GAME8 и GAME11. Эти ферменты отвечают за первые этапы гидроксилирования холестерина, приводящие к образованию фуростанол-агликона (16,22,26-тригидроксихолестерина), ключевой точки разветвления между синтезом стероидных сапонинов и гликоалкалоидов. Используя растения Solanum nigrum, в которых был отключен ген GAME15, мы смогли показать, что эти растения больше не способны вырабатывать стероидные гликоалкалоиды и сапонины», — объясняет первый автор Марианна Бочча, один из основных выводов исследования.

Стероидные сапонины и стероидные гликоалкалоиды — это группы соединений с перспективными медицинскими применениями. Например, недавние исследования показывают, что некоторые сапонины очень эффективны при лечении рака печени. Стероидные гликоалкалоиды обладают противораковыми свойствами, а также антимикробной и противовоспалительной активностью.

«Выявив GAME15, мы смогли восстановить метаболический путь стероидных соединений в гетерологичных хозяевах, таких как Nicotiana benthamiana, вплоть до фуростанола — предшественника стероидных сапонинов, и соласодина — непосредственного предшественника стероидных гликоалкалоидов», — говорит Прашант Сонаване.

Восстановление представляющих интерес с медицинской точки зрения соединений в растениях известно как «фарминг» — это слово, образованное от слов «фармацевтика» и «фермерство».

Фарминг подразумевает использование генетически модифицированных растений с интегрированным биосинтетическим путем для производства медицинских соединений для производства лекарств экономически эффективно и в больших масштабах. Таким образом, результаты исследования открывают возможности для улучшения производства важных соединений на основе стероидов.

Стероидные гликоалкалоиды известны как важные вещества защиты растений. Они являются токсичными соединениями, типичными для растений семейства пасленовых, и встречаются в картофеле, томатах и ​​баклажанах. Однако их токсичность в культурах можно значительно снизить путем очистки, варки или жарки.

В томатах гликоалкалоиды разрушаются во время созревания, поэтому они едва заметны в красных плодах. Однако экологическая роль стероидных сапонинов в листьях Solanum nigrum до сих пор была неизвестна.

Ключевая подсказка пришла из теплицы, когда ученые заметили, что растения с нокаутом GAME15, которые не способны производить сапонины, были более восприимчивы к насекомым-травоядным, чем растения дикого типа. Заинтригованные этим наблюдением, исследователи провели экологические эксперименты в форме испытаний кормления с двумя естественными вредителями Solanum.

«В первом эксперименте двум листогрызущим вредителям, цикадке Empoasca decipiens и колорадскому жуку Leptinotarsa ​​decemlineata, был предоставлен выбор между листьями растений дикого типа (которые вырабатывают стероидные сапонины) и листьями растений с нокаутированным геном Game15 (которые не вырабатывают сапонины из-за нокаута гена GAME15), — рассказывает Марианна Бочча. — Через неделю мы измерили ущерб, нанесенный насекомыми. Результаты ясно показали, что оба вида травоядных питались почти исключительно листьями нокаута, отдавая им предпочтение перед листьями дикого типа. Во втором эксперименте мы использовали биопробу с «принудительным кормлением», в частности, с колорадскими жуками. В этом тесте мы помещали отдельных жуков с отделенными листьями либо от диких, либо от нокаутных растений. Всего через шесть часов жуки охотно питались нокаутными листьями, лишенными стероидных сапонинов, в то время как они в основном избегали листьев дикого типа, по-видимому, предпочитая голодать, а не питаться».

Одним из возможных объяснений различных групп соединений в листьях и ягодах является то, что эти соединения специализированы для защиты различных тканей растений. Листья чаще подвергаются нападению травоядных, тогда как ягоды более восприимчивы к патогенам.

«Наши открытия показывают, как растения семейства пасленовых адаптировали белок, подобный целлюлозосинтазе, перешедший от основной роли в метаболизме (например, биосинтеза целлюлозы) к структурной роли, необходимой для биосинтеза соединений, специализированных для защиты растений от патогенов», — говорит Сара О`Коннор, директор Департамента биосинтеза натуральных продуктов и старший автор исследования.

Эта работа, как подчеркивают ученые, открывает новые возможности для создания культур с повышенной устойчивостью к вредителям и для производства важных соединений на основе стероидов для борьбы с раком и другими заболеваниями у людей.

Источник: Max Planck Society.

Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.

agroxxi.ru