Важливий крок, актуально для нового клімату: вчені декодували захист рослин від цикадок

Рослини стійкі до більшості шкідників. Дослідники продовжують вивчати та нотувати про нові механізми захисту рослин. Нещодавно розповіли про механізм захисту дикого тютюну від цикадок, які вживають сік рослин та шкодять їм. У дослідженні науковці використовували різні методи генетичного скринінгу, поєднуючи його з вивченням хімічних змін у листках тютюну. За результатами виявлено раніше невідому захисну речовину, важливу для стійкості тютюну до цикадок.

Рослини знаходяться в нижній частині харчового ланцюга, і їм постійно загрожують патогени та травоїдні комахи. Але переважна більшість шкідників не в змозі завдати будь-якої шкоди через широку стійкість рослин, також відому як стійкість не до хазяїна. Цей опір є постійним і ефективним. Однак механізми, які призводять до цієї стійкості, зокрема до рослиноїдних шкідників, значною мірою невідомі. У новому дослідженні вчені з Інституту хімічної екології Макса Планка змогли визначити хімічну речовину, відповідальну за стійкість рослин Nicotiana attenuata до сисних цикадок (Empoasca spp.) і гени, необхідні для її виробництва.

«Наше дослідження виявило, як місцеві рослини використовують хімічне перепрограмування, щоб захистити себе від умовно-патогенних цикадок у природі», — говорить перший автор Юечен Бай, підсумовуючи результати.

У 2004 році вчені з інституту вже виявили під час польових досліджень, що рослини тютюну з порушенням захисно-сигнального каскаду на основі рослинного гормону жасмонової кислоти піддалися нападу цикадок, комах, які зазвичай не здатні завдати шкоди рослинам тютюну з функціональним захистом. Робота довела, що в природі рослини постійно «випробовуються» рослиноїдними комахами, щоб з’ясувати, чи можуть вони служити джерелом їжі; однак у більшості випадків рослини здатні ефективно захищатися. Відповідно до цих висновків, інше дослідження, проведене інститутом, показало, що цикадки колонізували самі рослини в природних популяціях тютюну, чий сигнальний шлях жасмонової кислоти був слабкішим, ніж в інших рослин тютюну.

«Однак на той час ще було невідомо, які саме захисні механізми, викликані жасмоновою кислотою, відповідальні за стійкість до цикадок», – пояснює один з керівників дослідження, Дапенг Лі.

Щоб відповісти на це питання, вчені схрестили 26 генетично різних природних батьківських ліній. Популяція, яку дослідницька група схрещувала за фіксованою схемою протягом дев’яти років, була висаджена у природному середовищі існування в Арізоні, США, де її могли атакувати умовно-патогенні цикадки. Коли цикадки нападали на ці рослини, серйозність пошкодження допомогла визначити генетичну основу, яка зробила цю конкретну рослину рослиною-господарем для цикадок, використовуючи слабкий захист.

Дослідники також вивчали, які хімічні зміни викликаються в рослинах після нападу і які гени активуються. Вони знайшли нову нестабільну речовину, для якої використали абревіатуру CPH (caffeoylputrescine-green-leaf-volatile spoj), яка відповідала за постійну стійкість до цикадок. Завдяки біоінформаційній детективній роботі та за допомогою рослин, які були спеціально модифіковані в певних генах захисту та передачі сигналу, вони змогли показати, які три метаболічні шляхи були залучені у виробництві цієї хімічної речовини. Нарешті, дослідникам навіть вдалося відновити шлях біосинтезу для захисної речовини CPH у двох споріднених рослинах, польовій квасолі Vicia faba і томаті Solanum chilense, і продемонструвати його ефективність проти цикадників.

«Поєднуючи складну молекулярну біологію та методи хімічного аналізу, ми змогли ідентифікувати та схарактеризувати не лише раніше невідому захисну речовину, але й гени, відповідальні за її синтез», — пояснює Ян Болдуін, – «Природна історія та спостереження за харчовою поведінкою цикадок вплинули на процес відкриття. Тому що, коли справа доходить до хімії, природа залишається матір’ю винаходів».

У подальших дослідженнях науковці хочуть з’ясувати, як координується синтез цього хімічного захисту в рослині і які інші фактори та специфічні регулятори є вирішальними для його виробництва, особливо в природних умовах. Листові цикади роду Empoasca, особливо цикадка Empoasca fabae, можуть завдати серйозної шкоди врожаю, присмоктавшись до листя молодих рослин і передаючи вірусні захворювання. Вищі температури призвели до загрозливого поширення цих комах. Це фундаментальне дослідження боротьби з таким шкідником може дати цінну інформацію щодо постійного підвищення стійкості сільськогосподарських культур, особливо в контексті нових вимог до сільського господарства, викликаних зміною клімату.