|
Параллельная вселенная в генетике томатов
|
|
|
|
В статье, опубликованной в журнале Science Advances, исследователи из Мичиганского государственного университета раскрыли удивительную генетическую тайну, связанную с сахарами, содержащимися в том, что садоводы называют "томатной смолой". Любой, кто подрезал помидоры голыми руками, наверняка замечал, что их пальцы покрыты липким золотисто-черным веществом, которое трудно смыть. Томатный деготь не зря считается липким. Он сделан из сахаров — ацилсахаров, если быть точным, — и действует как своего рода натуральная липучка для мух-вредителей. "Растения эволюционировали, чтобы производить так много удивительных ядов и других биологически активных соединений", - сказал исследователь из штата Мичиган Роберт Ласт, руководитель нового исследования. Лаборатория Last специализируется на ацилсахарах и крошечных, похожих на волосы структурах, где они производятся и хранятся, известных как трихомы. Когда-то считалось, что ацилсахары содержатся исключительно в трихомах, но недавно другие исследователи сообщили об обнаружении ацилсахаров и в корнеплодах томатов. Это стало неожиданностью для сообщества растениеводов.
|
|
|
|
В своем исследовании команда из Мичиганского государственного университета хотела узнать, как функционируют эти корнеплоды ацилсахара и откуда они берутся. Они обнаружили, что растения томата не только синтезируют уникальные по химическому составу ацилсахары в своих корнях и трихомах, но и продуцируются двумя параллельными метаболическими путями. Это эквивалентно сборочным линиям на автозаводе, производящим две разные модели одного и того же автомобиля, но никогда не взаимодействующим друг с другом. Эти открытия помогают ученым лучше понять устойчивость и эволюционную историю пасленовых - обширного семейства растений, в которое входят помидоры, баклажаны, картофель, перец, табак и петунии. Они также могли бы помочь исследователям, стремящимся превратить молекулы, производимые растениями, в соединения, которые помогут человечеству. "От фармацевтических препаратов до пестицидов и солнцезащитных кремов, многие небольшие молекулы, которые люди приспособили для различных целей, появились в результате гонки вооружений между растениями, микробами и насекомыми", - сказал Ласт.
|
|
|
Помимо основных химических веществ, необходимых для роста, растения также вырабатывают целый ряд соединений, которые играют решающую роль во взаимодействии с окружающей средой. Они могут привлекать полезных опылителей и являются первой линией защиты от вредных организмов. "Что самое замечательное в этих специализированных метаболитах, так это то, что они, как правило, синтезируются в высокоточных клетках и тканях", - говорит Рэйчел Кервин, научный сотрудник МГУ и первый автор последней статьи. "Возьмем, к примеру, ацилсахары. Вы не найдете их в листьях или стеблях томатов. Эти физически липкие защитные метаболиты образуются прямо на кончиках трихом". Когда стало известно, что ацилсахары можно найти и в корнеплодах томатов, Кервин воспринял это как призыв к старомодному генетическому расследованию. "Присутствие этих ацилсахаров в корнеплодах было поразительным и вызвало множество вопросов. Как это произошло, как они производятся и отличаются ли они от ацилсахаров trichome, которые мы изучали?"
|
|
|
|
Чтобы начать разгадывать эволюционную загадку, сотрудники лаборатории сотрудничали со специалистами Центра масс-спектрометрии и метаболомики МГУ, а также с сотрудниками центра ядерного магнитного резонанса Макса Т. Роджерса. При сравнении метаболитов из корней и побегов рассады томатов были выявлены различные различия. Основной химический состав надземного и подземного ацилсахаров заметно отличался, настолько, что их можно было отнести к разным классам ацилсахаров. Наконец, заслуженный профессор факультета биохимии и молекулярной биологии Колледжа естественных наук МГУ и факультета биологии растений предлагает полезную аналогию, объясняющую, как генетик подходит к биологии. "Представьте, что вы пытаетесь понять, как работает автомобиль, ломая одну деталь за раз", - сказал он. "Если вы спустите шины автомобиля и заметите, что двигатель все еще работает, вы обнаружите важный факт, даже если не знаете, что именно делают шины". Замените автомобильные детали на гены, и вы получите более четкое представление о работе, проделанной последней лабораторией для дальнейшего взлома кода на корневом ацилсахаре.
|
|
|
|
Изучая общедоступные данные о генетических последовательностях, Кервин заметил, что многие из генов, экспрессируемых при производстве ацилсахара из трихомы томата, имеют близких родственников в корнях. После идентификации фермента, который, как полагают, является первым шагом в биосинтезе ацилсахара в корнях, исследователи начали "ломать машину". Когда они отключили ген-кандидат на получение ацилсахара в корнях, производство ацилсахара в корнях прекратилось, оставив производство ацилсахара в трихомах нетронутым. Между тем, когда хорошо изученный ген ацилсахара в трихоме был отключен, производство ацилсахара в корнеплодах продолжалось в обычном режиме. Эти находки стали ярким доказательством предполагаемого метаболического зеркального отображения. "Наряду с наземным путем получения ацилсахаров, который мы изучали в течение многих лет, здесь мы находим вторую параллельную вселенную, которая существует под землей", - сказал Ласт. "Это подтвердило, что у нас есть два пути, сосуществующих на одном заводе", - добавил Кервин.
|
|
|
|
Чтобы подчеркнуть этот прорыв, Джейни Харт, постдокторский исследователь и второй автор последней работы, более подробно рассмотрела функции ферментов трихомы и корня. Точно так же, как ферменты трихом и ацилсахары, которые они производят, хорошо изучены по химическому составу, она обнаружила многообещающую связь между ферментами корней и ацилсахарами корней. "Изучение выделенных ферментов является мощным инструментом для определения их активности и составления выводов об их функциональной роли внутри растительной клетки", - пояснил Харт. Эти находки стали еще одним доказательством параллельных метаболических путей, существующих в одном растении томата. "Растения и автомобили настолько разные, но в то же время схожи в том, что, когда вы открываете пресловутый капот, вы начинаете осознавать множество частей и связей, которые заставляют их функционировать. Эта работа дает нам новые знания об одной из этих частей растений томата и побуждает к дальнейшим исследованиям ее эволюции и функций, а также о том, можем ли мы использовать ее другими способами", - сказал Панкадж Джайсвал, программный директор Национального научного фонда США. "Чем больше мы узнаем о живых организмах — от помидоров и других культур до животных и микробов, — тем шире возможности использовать полученные знания на благо общества", - добавил он.
|
|
|
|
В статье также сообщается об интересном и неожиданном повороте, связанном с кластерами биосинтетических генов, или BGC. BGC - это наборы генов, которые физически сгруппированы в хромосоме и участвуют в определенном метаболическом пути. Ранее в последней лаборатории был идентифицирован BGC, содержащий гены, связанные с трихомами ацилсахаров в растениях томата. Кервин, Харт и их коллеги обнаружили, что фермент ацилсахаров, экспрессируемый корнями, находится в том же кластере. "Обычно в BGC гены совместно экспрессируются в одних и тех же тканях и в сходных условиях", - сказал Кервин. "Но здесь мы имеем дело с двумя отдельными, но взаимосвязанными группами генов. Некоторые экспрессируются в трихомах, а некоторые - в корнях". Это открытие побудило Кервина углубиться в изучение эволюционной траектории видов пасленовых в надежде определить, когда и как развились эти два уникальных пути получения ацилсахара. В частности, исследователи обратили внимание на момент, произошедший около 19 миллионов лет назад, когда фермент, ответственный за образование ацилсахаров в трихоме, был продублирован.
|
|
|
|
Этот фермент однажды будет отвечать за недавно открытый путь образования ацилсахаров, экспрессируемых корнями. Точный механизм, который "активирует" этот фермент в корнях, остается неизвестным, что позволяет Последней лаборатории продолжать раскрывать эволюционные и метаболические секреты семейства пасленовых. "Работа с пасленовыми предоставляет огромное количество научных ресурсов, а также сильное сообщество исследователей", - сказал Кервин. "Благодаря их важности как сельскохозяйственных культур и в садоводстве, люди заботились об этих растениях на протяжении тысячелетий". Наконец, эти прорывы также являются напоминанием о важности природных пестицидов, которые в конечном счете представляют собой защитные метаболиты, такие как ацилсахары. "Если мы обнаружим, что эти корнеплоды ацилсахара эффективны в борьбе с вредными организмами, можно ли их использовать для выращивания других пасленовых, тем самым помогая растениям расти без использования вредных синтетических фунгицидов и пестицидов?" Последний вопрос. - Эти вопросы лежат в основе стремления человечества к более чистой воде, более безопасным продуктам питания и снижению зависимости от вредных синтетических химикатов".
|
|
|
|
Источник
|
