Все живые организмы на Земле можно разделить на две основные группы: те, которые производят себе пищу из абиотических источников, таких как свет, и те, кто питается другими организмами. Эти разные способы кормления влияют на метаболизм организма. Растения, получающие энергию от света, производят гораздо большее разнообразие метаболитов, чем животные.
Ученые давно задаются вопросом, какие эволюционные силы стоят за этим различием. Еще в 1950-х годах исследователи предположили, что способность растений вырабатывать определенные вещества для самозащиты может быть одной из причин. Существуют две различные теории о том, как производство таких защитных веществ регулируется в растении: одна возможность состоит в том, что растения адаптируют свой метаболизм таким образом, что они производят соединения с защитными функциями в соответствии с вероятностью будущей атаки.
Эта теория называется «Оптимальная защита»."Напротив, вторая теория предполагает, что растения изменяют свой метаболизм случайным образом. Для травоядных эти случайные изменения непредсказуемы, и поэтому они не могут адаптироваться к защите растений. Это предположение называется теорией движущейся цели, потому что стратегия защиты не является целевой, а поражает атакующих случайным образом.
Несмотря на то, что многие отдельные защитные вещества, производимые растениями после нападения, к настоящему времени хорошо изучены, еще не было возможности экспериментально проверить, какая из двух теорий применима в широком метаболическом масштабе.
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Института химической экологии Макса Планка и Института молекулярной биологии растений CNRS / Страсбургского университета изучили экологическую модель растения Nicotiana attuata после нападения двух разных травоядных. Личинки ястребиной моли являются специалистами, которые питаются только пасленовыми растениями и, как правило, хорошо приспособлены к защите своих пищевых растений, в то время как гусеницы африканского хлопкового червя являются универсальными и могут питаться множеством различных растений; однако они менее приспособлены к отдельным видам растений и их защитным соединениям. Ученые использовали масс-спектрометрию для анализа известных, а также новых и неизвестных метаболитов, которые образовались у растений после нападения травоядных, и использовали статистические принципы теории информации для оценки своих данных. Современные методы масс-спектрометрии позволяют объективно измерять как можно больше веществ. "Что тогда необходимо, так это определить метод статистической оценки метаболического разнообразия в растительном экстракте и сравнить его в нескольких экспериментальных условиях и для разных видов растений.
Кроме того, крайне важно идентифицировать соединения, присутствующие в данном образце растений, что остается краеугольным камнем метаболомики. В этом исследовании мы предлагаем такой подход, сочетающий инновации в вычислительной метаболомике и использование статистических концепций, разработанных как часть теории информации, и применяем этот подход для проверки предсказаний теорий защиты растений », – объясняет Эммануэль Гакерель, один из руководителей исследования.
«Вычислительный процесс, который позволил провести беспристрастный и целостный анализ метаболизма растений, описанный в нашей статье, ясно показывает, что метаболические изменения Nicotiana attuata при атаке как универсальных, так и специализированных гусениц являются очень направленными», – резюмирует результаты Ян Болдуин, один из ведущих авторов. исследования. Таким образом, исследование подтверждает теорию оптимальной защиты: растения реорганизуют свой метаболизм таким образом, чтобы они были направлены на образование защитных веществ.
«Для нас стало неожиданностью, что статистические показатели метаболических профилей, полученные в результате кормления двумя травоядными, специалистом по ночному кормлению и специалистом по пасленовым, в значительной степени совпадают, несмотря на их различное пищевое поведение», – Дапенг Ли, первый автор исследования , говорит. Чтобы выяснить, как развивалась эта стратегия защиты и какие соединения вносят решающий вклад в ее успех, ученые использовали растения, у которых признак был генетически модифицирован, а также популяции растений того же вида и различных близкородственных видов.
Они обнаружили, что метаболические изменения в ответ на нападение травоядных в первую очередь контролируются маргинальными модификациями сигнального каскада гормонов растений, в частности жасмоновой кислоты.
В дальнейших экспериментах исследователи хотят применить этот вычислительный процесс, чтобы понять, как циркадные и суточные режимы влияют на метаболизм.
Это фундаментальная проблема для всех организмов, которые напрямую зависят от солнечного света в своем питании, но доступны только в определенное время дня из-за вращения Земли вокруг Солнца.