За 300 миллионов лет хвойные растения выработали удивительные защитные механизмы

Ученые выяснили, как хвойные деревья разработали одну из самых изощренных в природе защитных систем. За сотни миллионов лет они сформировали удивительное сочетание древних и современных химических оружий.

Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что некоторые защитные соединения в смоле хвойных деревьев появились более 300 миллионов лет назад. Другие эволюционировали сравнительно недавно в ответ на нападения короедов. Эта работа ученых демонстрирует, как генетические механизмы обеспечили независимую эволюцию одинаковых защитных веществ у разных видов деревьев.

Международная команда из Института химической экологии Макса Планка в Германии и Университета штата Айова реконструировала древние ферменты, называемые дитерпено-синтазами, чтобы проследить эволюционную историю защитных механизмов хвойных растений. Эти ферменты производят дитерпены — липкие компоненты смолы, которые отпугивают короедов и грибковые патогены.

С помощью методов генетической реконструкции исследователи определили, что некоторые дитерпены, обнаруженные в современных соснах, елях и пихтах, возникли 300 миллионов лет назад, задолго до появления этих видов в их сегодняшней форме. Однако другие важные защитные соединения были разработаны значительно позже и независимо в разных ветвях эволюции хвойных.

Ключевым прорывом стало понимание того, почему некоторые защитные соединения возникали на протяжении миллионов лет, но появлялись независимо у различных видов деревьев. Исследование указывает на генетический механизм, называемый эпистазом, при котором эффект генетических мутаций зависит от наличия других мутаций, произошедших ранее.

«Потенциал растений к развитию определенных веществ медленно увеличивался на протяжении миллионов лет, а затем резко вырос после отделения хвойных от других растений», — объяснил Эндрю О’Доннелл, первый автор исследования из отделения биохимии Института Макса Планка. Этот механизм выступает молекулярным привратником, определяя, какие биохимические пути становятся доступными в процессе эволюции.

Эпистаз объясняет, почему эволюция как будто «ждет», прежде чем быстро производить схожие черты среди различных линий. Перед тем как смогут возникнуть новые защитные пути, должны накопиться подготовительные генетические изменения, что делает повторную эволюцию идентичных дитерпенов предсказуемой, а не случайной.

Современная смола хвойных деревьев представляет собой сложную смесь, объединяющую древние соединения с недавно эволюционировавшими веществами. По времени появления можно предположить, что эти новые дитерпены возникли примерно тогда, когда короеды стали серьезными вредителями лесов, что подтверждается ископаемыми данными. Тактика защиты «двух эпох» оказывается крайне важной для борьбы с современными угрозами. Древние соединения обеспечивают защиту широкого спектра, в то время как новые вещества специально нацелены на короедов и связанные с ними грибы.

Теперь исследовательская группа планирует изучить, как эта эволюционная история влияет на защиту современных хвойных от двойной угрозы: жуков и грибов. Они считают, что эффективная защита, вероятно, требует смеси соединений, нацеленных на обоих противников.

Поддержать работу блога донатом можно по ссылке.