Насекомые-вредители наносят значительный глобальный ущерб сельскому хозяйству и приводят к крупным финансовым и экологическим издержкам. Растения же естественным образом способны отражать атаки таких вредителей, включая широкий спектр специализированных защитных химических веществ на основе вторичных метаболитов.
Эти химические вещества могут быть индуцированы при атаке (фитоалексины), чтобы оказывать прямое воздействие на вредителей, или косвенно использоваться для привлечения их естественных врагов. Природная агрохимия является частью глобальной гонки вооружений между растениями и насекомыми-вредителями, при этом насекомые тоже разрабатывают методы подавления, предотвращения, детоксикации или даже захвата защитных химикатов их хозяев. Использование и оптимизация возможностей природной химической защиты сельскохозяйственных культур может помочь в продолжающейся борьбе за урожай.
Об этом в своей статье, опубликованной на портале www.mdpi.com, рассказывает группа ученых из Центра медицинской, сельскохозяйственной и ветеринарной энтомологии, Департамента сельского хозяйства США во Флориде.
На сегодня достигнут существенный прогресс в определении структур, биосинтетических путей и функций защитных химических веществ, и он будет продолжаться в ближайшие десятилетия. Исследования в области генной инженерии привели к успешному переносу производства защитных соединений в новые виды, демонстрируя, что модификация химического арсенала защитных растений возможна. Однако попытки превратить это в реальную устойчивость к насекомым в полевых условиях остаются ограниченными. Текущие препятствия на пути к успешному межвидовому переносу, по-видимому, возникают из-за проблем в производстве соединений, таких как конститутивное производство фитоалексинов, недостаточное количество субстратов, или неполный обмен метаболитами токсичных промежуточных продуктов, пишут ученые в своей статье.
В поисках утраченной химзащиты
Во время одомашнивания сельскохозяйственных культур метаболиты, участвующие в сопротивлении вредителям, часто теряются из-за отсутствия отбора по этим признакам после отбора для повышения урожайности.
Одним из таких соединений является сесквитерпен-7-эпизингиберен, который присутствует в диких томатах (Solanum habrochaites), но не в одомашненных помидорах. Когда гены, ответственные за производство этого соединения, были экспрессированы в одомашненных помидорах, растения показали лучшую защиту от травоядных животных.
Аналогичный успех был замечен с (E) -β-кариофилленом, летучим сесквитерпеном, производство которого отсутствует во многих североамериканских сортах кукурузы, но присутствует в европейских линиях. Когда растения кукурузы были сконструированы для экспрессии (E) -β-кариофилленсинтаза из Origanum vulgare и выделяли (E) -β-кариофиллен, то в показали эффективность в привлечении энтомопатогенных нематод для борьбы с западным кукурузных корневым жуком (диабротика).
Таким образом, полезное преимущество повторного захвата потерянных метаболитов от диких родственников состоит в том, что теперь это можно осуществить либо с помощью традиционного разведения, либо с помощью трансгенных подходов.
Однако, удача не всегда на стороне науки.
Поскольку многие насекомые-вредители эволюционировали вместе со своими растениями-хозяевами, они естественным образом выработали механизмы, позволяющие преодолевать защитные химические вещества своих хозяев.
Следовательно, альтернативная стратегия усиления защиты хозяина состоит в том, чтобы спроектировать производство метаболитов у разных видов путем межвидового переноса метаболических путей.
Доказательство концепции этого подхода можно увидеть в переносе биосинтеза дуррина с сорго на модельное растение Arabidopsis thaliana (резуховидку Таля). Этот процесс требовал экспрессии только трех генов сорго, и было обнаружено, что арабидопсис содержит нативные глюкозидазы, которые могут активировать дуррин при повреждении тканей. Полученные растения получили устойчивость к земляной светлоногой блошке, но при этом развивались хуже.
Аналогичный эффект наблюдался и в растениях табака, где те же гены сорго вырабатывали дуррин, но на более низком уровне, чем в сорго. В данном случае эти гены также привели к негативным фенотипам, включая более бледные листья, замедленный рост и задержку цветения.
Положительная активность против насекомых у модельных растений также не обязательно приводит к успеху у сельскохозяйственных культур. Например, гены сорго при переносе в корни виноградной лозы также приводили к продукции дуррина, но не обеспечивалась защита от филлоксеры.
Дуррин оказался не единственным соединением, успешно перенесенным в культуры, с которым возникли проблемы на поле. Например, пшеница была сконструирована для экспрессии пластид-нацеленного гена из перечной мяты. Эти растения успешно продуцировали феромон отпугивания тли, (E) -β-фарнезен, и в лабораторных испытаниях служили хорошим репеллентом против трех видов злаковых тлей. Однако эта активность не привела к появлению более устойчивых растений в полевых испытаниях.
Подобные исследования иллюстрируют проблемы межвидового переноса защитных метаболитов, необходимых для правильного производства нужных соединений.
Лучшее понимание этих факторов, вероятно, увеличит шансы на успех, однако, все такие инженерные подходы следует тщательно рассматривать с точки зрения идентичности и местоположения добавляемых метаболитов, чтобы они не создавали дополнительного риска токсичности или неблагоприятных эффектов для потребителя или окружающей среды.
«Многие виды, не относящиеся к сельскохозяйственным культурам, имеют обширные защитные химические вещества, некоторые из которых послужили образцом для разработки инсектицидов. Возможность использовать естественные преимущества для эндогенной защиты растений значительно расширила бы нашу способность бороться с насекомыми-вредителями, не полагаясь только на применение пестицидов», заключают авторы.
(Источник: www.mdpi.com).
