От репеллента до аттрактанта
Крестоцветные растения, такие как капуста, рапс, горчица и хрен, производят глюкозинолаты. При механическом повреждении тканей растения e.грамм. вызванные жевательным насекомым, глюкозинолаты гидролизуются эндогенным растительным ферментом мирозиназой. Это приводит к образованию различных токсичных продуктов распада, в основном изотиоцианатов, для защиты от прожорливых насекомых.
Этот защитный механизм очень эффективен против большинства травоядных. Тем не менее, пяденица Plutella xylostella разработала собственные механизмы, позволяющие перехитрить эту защиту: она способна успешно питаться растениями семейства капустных и использовать растения в своих репродуктивных целях.
"Мы хотели знать, используют ли бабочки изотиоцианаты в качестве запаха, чтобы определить местонахождение своих растений-хозяев. Фактически, поведенческие эксперименты показали, что три изотиоцианата являются ключевыми сигналами для самок бабочек, чтобы найти и отложить яйца на крестоцветных растениях », – говорит руководитель исследования Шуанг-Линь Донг из Нанкинского сельскохозяйственного университета.
Два обонятельных рецептора, специализирующихся на изотиоцианатах, контролируют яйцекладку
Главный научный вопрос заключался в том, на каких молекулярных механизмах самки моли Plutella xylostella основывают свой выбор места для откладки яиц? Поэтому исследователи проанализировали, какие обонятельные рецепторы были высоко экспрессированы у самок моли, и изучили функцию этих рецепторов в ооцитах лягушки. «С помощью этого метода мы смогли исследовать, на какие запахи реагирует отдельный рецептор.
Мы показали, что два рецептора, OR35 и OR49, реагировали на три изотиоцианата, которые, как мы ранее определили, имеют решающее значение для яйцекладки, – говорит Маркус Кнаден из Института Макса Планка в Йене. Эти два рецептора не реагировали ни на какие другие запахи растений или на половые феромоны бабочек.
Предположительно, OR35 и OR49 эволюционировали, чтобы обнаруживать именно эти сигналы откладки яиц. «Мы были удивлены, что даже два рецептора специально настроены на изотиоцианаты. Однако два рецептора обнаруживают изотиоцианаты с разной чувствительностью. Мы предполагаем, что более чувствительный рецептор может гарантировать, что самки бабочек обнаруживают растения на расстоянии, в то время как другой может помочь обеспечить более точное определение концентрации изотиоцианата. Это даст самкам бабочек больше информации о субстрате, на котором они откладывают яйца », – говорит Шуанг-Линь Донг.
Проверка функции гена с использованием методов нокаута гена CRISPR-Cas9
Исследователи использовали генетические ножницы CRISPR-Cas9, чтобы выбить гены, кодирующие два рецептора у бабочек.
Этот метод используется для проверки функции определенного гена. Для анализа яйценоскости они использовали растения кресс-салата Arabidopsis thaliana, модельного растения, принадлежащего к семейству крестоцветных. Некоторые из этих растений были немодифицированными и производили изотиоцианаты, привлекательные для моли, тогда как другие были мутантами, которые не могли продуцировать изотиоцианаты.
Когда один из двух рецепторов был инактивирован, бабочки откладывали значительно меньше яиц на выделяющих изотиоцианаты растениях. Когда оба рецептора были нокаутированы, бабочки не могли отличить немодифицированные растения Arabidopsis от мутантных растений.
Мошенники во взаимодействии растений и насекомых
В ходе эволюции растения выработали различные стратегии защиты от травоядных животных.
Важнейшей частью взаимодействия растений и насекомых является химическая связь. "В большинстве случаев растению полезно сообщить потенциальным травоядным животным, что его защитная система уже активирована. Тем не менее, всегда найдется кто-то, кто злоупотребит общением в своих интересах, как в нашем случае бабочка, которая использует защитный сигнал растения в качестве аттрактанта, откладывает яйца и распространяется на этом растении », – говорит Маркус Кнаден.
Выявление того, как эти «мошенники» перехитрили защиту растений и даже использовали эту защиту в своих целях, могло бы помочь улучшить контроль над глобальными вредителями сельскохозяйственных культур (такими как ромбовидная моль): «Наши результаты предлагают различные подходы к борьбе с этим вредителем: на одном Мы могли бы использовать идентифицированные изотиоцианаты или другие привлекательные вещества в качестве аттрактантов, чтобы поймать этих вредителей. С другой стороны, мы могли бы попытаться разработать химические вещества, которые прерывают или блокируют восприятие изотиоцианатов и, таким образом, мешают самкам определять местонахождение их растений-хозяев », – резюмирует Шуанг-Линь Дун.
Планируются дальнейшие исследования, чтобы выяснить, используют ли другие насекомые, атакующие крестоцветные растения, специальные рецепторы для обнаружения изотиоцианатов и определения местоположения растений для откладки яиц.
Результаты могут предоставить информацию о том, в какой степени восприятие этих запахов специализированными рецепторами сохраняется и у других видов.