Біологи вперше виявили горизонтальне перенесення генів від рослини до комахи

Китайські біологи описали перший відомий приклад горизонтального перенесення генів від рослини до комахи. Виявилося, тютюнові білокрилки () привласнили собі рослинний ген. Синтезований за допомогою цього гена фермент дозволяє комахам нейтралізувати отруту, покликану захищати рослини, тому на цих комах-шкідників не впливають рослинні токсини.

За більш ніж 400 мільйонів років співіснування з травоїдними тваринами рослини навчилися захищатися: якісь змінили свою морфологію (наприклад, змінили форму листя), інші ж застосували біохімічні способи відбивати атаки комах.

Фенольні глікозиди - група сполук, що складаються з вуглеводного залишку і фенольної групи - одні з найпоширеніших метаболітів рослин, які можуть впливати на зростання, розвиток і поведінку комах. Самим рослинам ці сполуки не небезпечні: вони за допомогою ферменту малонілтрансферази приєднують до глікозидів малонілову групу, в результаті фенольні глікозиди втрачають свою токсичність.

Деякі комахи, однак, не відчувають негативних наслідків від потрапляння фенольних глікозидів в їх організм разом з їжею: навпаки, вони навчилися використовувати їх як поживні речовини і стимулятори кладки яєць. Представники виду тютюнова білокрилка () - поширені комахи-шкідники. харчуються флоемою рослин, що проводить тканиною, за якою продукти фотосинтезу - поживні речовини - надходять до коріння, квіток, плодів. Білокрилки переносять рослинні віруси і в цілому сильно знижують врожайність. При цьому шкідники можуть харчуватися більш ніж 600 видами рослин - і прекрасно адаптуються до захисних механізмів усіх цих видів. Більшість з цих рослин якраз використовують фенольні глікозиди як спосіб біохімічного захисту. нейтралізують ці сполуки за допомогою ферментів, однак як саме їм вдається обійти захисні пристосування стількох рослин, що відрізняються один від одного, залишалося невідомим.

Вчені Китайської академії агрокультурних наук під керівництвом Юцзюнь Чжана (Youjun Zhang) провели біоінформатичний аналіз і виявили в геномі комах ген малонілтрансферази, який, мабуть, і допомагає комахам нейтралізувати дію фенольних глікозидів. Подальші дослідження показали, що найближчі гомологи цього гена є у рослин, але не у членистоногих. Вчені дійшли висновку, що в геном комах потрапив специфічний для рослин ген. Цей ген експресується у комах на всіх стадіях розвитку, але найбільше в дорослому віці, і особливо в шлунку.

Дослідники вирішили перевірити, чи рятує рослинний ген комах від впливу фенольних глікозидів. З листя томата біологи виділили 11 з'єднань цієї групи. П'ять з них виявилися отруйними, а шість - не заподіяли шкоди. При цьому концентрації речовин (10 мікромоль) в експерименті були набагато вищими, ніж ті, які отримують комахи в природі з їжею. Коли вчені знизили експресію гена на 49,2 відсотка, п'ять «нетоксичних» глікозидів підвищили смертність комах.

Експерименти на клітинних культурах показали, що білок BtPMaT1 дійсно володіє малонілтрансферазною активністю щодо трьох з одинадцяти протестованих фенольних глікозидів. Під дією BtPMaT1, ці сполуки перетворилися на відповідні малонілглікозиди. Схожі результати були отримані і в експериментах на комах, яких годували листям томатів.

Нарешті, вчені перевірили, чи можна підвищити стійкість рослин до білокрилок. Дослідники створили трансгенний томат, в геном якого вставили ділянки ДНК, що кодують утворюючі шпильки малі молекули РНК. Шпильки з РНК дозволяють придушувати експресію того чи іншого гена, в цій роботі вчені націлили їх на. Смертність у комах, яким дали листям таких томатів, підвищилася вже на перший день годування. В умовах, що імітують польові, трансгенні томати призвели до смерті майже 100 відсотків білокрилок, тоді як у контрольній групі смертність становила лише 20 відсотків.

Дослідження розкриває незвичайний еволюційний шлях, завдяки якому тютюнові білокрилки змогли застосувати рослинний ген для нейтралізації рослинного ж токсину. До цього були відомі приклади горизонтального перенесення генів членистоногим тільки від мікроорганізмів. Показане ж у цій роботі горизонтальне перенесення рослинного гена наділив комах здатністю харчуватися багатьма рослинами, не побоюючись фенольних глікозидів.

Горизонтальне перенесення генів - природний процес, коли один організм передає генетичний матеріал не своєму нащадку. Отримати чужу ДНК дуже непросто, і про те, як це відбувається, може прочитати в матеріалі «Поверх бар'єрів».