Научный взгляд: биосинтез защитных стероидов растений помогает для борьбы с вредителями

Исследователи из Института химической экологии Макса Планка идентифицировали GAME15 как ключевой белок, регулирующий биосинтез стероидных гликоалкалоидов и стероидных сапонинов в растениях рода Solanum.

Для изучения стероидных гликоалкалоидов было использовано дикое растение паслена черного Solanum nigrum, поскольку различные стероидные соединения синтезируются в разных тканях растения, но все они образуются из одного и того же предшественника — холестерина. В листьях наиболее важным стероидным метаболитом является сапонин под названием уттрозид B, а в ягодах — стероидные гликоалкалоиды, такие как α-солазонин, α-соламаргин и малонил-соламаргин.

Стероидные сапонины и стероидные гликоалкалоиды — перспективные группы соединений. Например, недавние исследования показали, что некоторые сапонины высокоэффективны при лечении рака печени. Стероидные гликоалкалоиды тоже обладают противораковыми свойствами, а также противомикробной и противовоспалительной активностью.

Стероидные гликоалкалоиды известны как важные защитные вещества растений. Они являются токсичными соединениями, характерными для пасленовых растений, встречаются в картофеле, томатах и баклажанах. Однако их токсичность для человека можно значительно снизить, если очистить от кожуры, сварить или обжарить.

В томатах гликоалкалоиды разрушаются во время созревания, поэтому в красных плодах они почти не обнаруживаются. Однако экологическая роль стероидных сапонинов в листьях Solanum nigrum до сих пор оставалась неизвестной.

С помощью конфокальной микроскопии, биохимического и молекулярно-биологического анализа исследователи выявили ген, отвечающий за белок под названием GAME15.

Данный белок принадлежит к семейству целлюлозосинтазных белков, но участвует не в синтезе целлюлозы, а в биосинтезе стероидных соединений.

Дальнейшее исследование показало, что растения паслена черного, которые были не способны синтезировать белок GAME15 и, соответственно, стероидные сапонины, оказались более восприимчивы к листогрызущим насекомым, например к колорадским жукам.

Одно из возможных объяснений того, почему различаются группы соединений в листьях и ягодах пасленовых заключается в том, что эти соединения специализируются на защите различных тканей растения. Листья чаще подвергаются воздействию листогрызущих насекомых, в то время как ягоды более восприимчивы к возбудителям болезней.

Научный эксперимент показал, как растения семейства Solanaceae приспособили целлюлозосинтазу к структурной роли, необходимой для биосинтеза соединений, специализированных для защиты растений от патогенов.

Результаты исследования открывают новые перспективы для производства высококачественных стероидных молекул для применения в сельском хозяйстве в борьбе с вредителями.

Поиск способов снижения использования химических средств защиты растений является одной из актуальных задач в биологических и сельскохозяйственных исследованиях. Использование феромонных ловушек и агентов биологической защиты в борьбе с вредителями становится экологичной альтернативой пестицидам. Научные разработки Всероссийского центра карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») в направлении синтеза феромонов обеспечивают надежную защиту сельскохозяйственных культур в Российской Федерации в отношении ряда карантинных и некарантинных вредителей.

Источник: Marianna Boccia et al, A scaffold protein manages the biosynthesis of steroidal defense metabolites in plants, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado3409