Разрушительные и частые нашествия саранчи угрожают безопасности сельского хозяйства, экономики и окружающей среды во всем мире. Для борьбы со вспышками нашествия саранчи и других вредителей ежегодно в сельскохозяйственную и луговую среду вносятся сотни тысяч тонн химических инсектицидов, что вызывает серьезную обеспокоенность по поводу утраты биоразнообразия, загрязнения окружающей среды и здоровья человека. В связи с этим существует настоятельная необходимость разработки регуляторов поведения, которые дополняли бы химические инсектициды и снижали бы зависимость от них.
Феромоны действуют как основные медиаторы химической коммуникации насекомых и вызывают большинство моделей поведения.
Группа зоологов, молекулярных инженеров и специалистов по борьбе с вредителями Китайской академии наук, работающая с коллегами из Пекинского университета, идентифицировала некоторые ферменты и соединения-предшественники, участвующие в биосинтезе 4VA у саранчи. В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа провела генетическую деактивацию на образцах саранчи, чтобы найти предшественников биосинтеза 4VA, феромона, который вызывает роение у насекомых.
4VA недавно был идентифицирован как феромон скопления мигрирующей саранчи (Locusta migratoria) и играет решающую роль в пополнении особей и формировании роев саранчи. 4VA также играет важную роль в содействии синхронному половому созреванию самок саранчи и социальные взаимодействия сородичей.
Для этого нового исследования ученые продолжили предыдущие исследования 2020 года, которые обнаружили, что феромон под названием 4VA играет важную роль в переходе саранчи из одиночного состояния в стаи, способные уничтожать целые поля урожая. Исследователи стремились узнать больше о механизме, лежащем в основе производства 4VA у саранчи, в надежде найти способы его подавления и, таким образом, контролировать роение.
Феромон агрегации 4VA выделяется только стайной саранчой. Чтобы исследовать исходный субстрат биосинтеза 4ВА, ученые сначала сравнили количество высвобожденного 4ВА между голодной стайной саранчой и стайной саранчой, которую кормили проростками пшеницы. Высвобождение 4ВА у стайной саранчи значительно снижалось после голодания в течение 2 ч. Концентрация 4ВА приближалась к нулю после голодания в течение 8 ч. Напротив, кормовая саранча выделяла значительное количество 4ВА. Эти результаты свидетельствуют о том, что саранча синтезирует 4VA, используя строительные блоки, полученные из пищевых растений.
К основным классам соединений в проростках пшеницы, используемых в качестве растений-хозяев, относятся лигнин, аминокислоты, целлюлоза и гемицеллюлоза. Благодаря присутствию фенильного фрагмента в 4VA, лигнин, тирозин и фенилаланин считались потенциальными биосинтетическими предшественниками 4VA.
Чтобы определить, участвует ли лигнин в биосинтезе 4ВА, исследователи сравнили уровни эмиссии 4ВА в различных группах саранчи, которых кормили искусственной пищей, содержащей различное количество добавленного лигнина. Выбросы 4VA существенно не увеличивались при увеличении содержания лигнина по сравнению с контрольной группой. Таким образом, лигнин вряд ли будет основным фактором биосинтеза 4VA у саранчи.
Чтобы выяснить, участвуют ли тирозин и фенилаланин в биосинтезе 4VA, дейтерированный тирозин (Tyr-d4) или дейтерированный фенилаланин (Phe-d5) были непосредственно введены саранче. Инъекция Tyr-d4 или Phe-d5 саранчовым или кормление искусственным рационом, содержащим Tyr-d4 или Phe-d5 не привел к производству дейтерированного 4ВА (4ВА-d4). Саранча, которую кормили растениями-хозяевами, опрысканными дейтерированным тирозином, не продуцировала 4VA-d4. Тем не менее, кормление растениями-хозяевами, обработанными Phe-d5, значительно индуцировало высвобождение 4VA-d4 по сравнению с контрольной группой. Таким образом, 4VA биосинтезируется из фенилаланина растительного происхождения.
Исследователи деактивировали гены в задних лапках нескольких насекомых, расположенных близко к месту выработки 4VA, пока не нашли некоторые, которые подавляли феромон. Исследователи идентифицировали фермент 4VPMT1, который катализирует превращение предшественника, называемого 4VP, в 4VA. Исследователи также идентифицировали несколько молекул, участвующих в связывании 4VP с другими химическими веществами в процессе катализа.
Чтобы исследовать биосинтетические промежуточные продукты от фенилаланина до 4VA, ученые обобщили метаболизм фенилаланина, аннотированный в Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG), и предсказали два химически обоснованных биосинтетических пути от фенилаланина к 4VA, а затем определили фактический путь биосинтеза 4ВА.
Исследователи деактивировали гены в задних лапках нескольких насекомых, расположенных близко к месту выработки 4VA, пока не нашли некоторые подавляющие феромон. Исследователи идентифицировали фермент 4VPMT1, который катализирует превращение предшественника, называемого 4VP, в 4VA. Исследователи также идентифицировали несколько молекул, участвующих в связывании 4VP с другими химическими веществами в процессе катализа.
Кормление саранчи едой, смешанной с соединением 4-нитрофенол, остановило фазовый сдвиг к роению. Это открытие показывает, что 4-нитрофенол можно распылять на посевы или территории рядом с ними, чтобы предотвратить формирование стай саранчой. К сожалению, предыдущие исследования показали, что 4-нитрофенол также вреден для окружающей среды. Команда планирует продолжить свою работу, чтобы найти другие соединения, которые могут оказаться столь же полезными, но без вреда для окружающей среды.
Источники: Phys.org, Боб Йирка; Nature, DOI: 10.1038/s41586-025-09110-y