Опийный мак «научился» вырабатывать морфин 8 миллионов лет назад

Опийный мак (Papaver somniferum). Иллюстрация из Атласа лекарственных растений Келера.
Biodiversity Heritage Library
Генетики проследили за эволюцией опийного мака и выяснили, что растение «научилось» вырабатывать алкалоид морфин сравнительно недавно, около восьми миллионов лет назад, говорится в статье, опубликованной в Science.
Из незрелых коробочек снотворного (или опийного) мака (Papaver somniferum) получают сгущенный сок — опиум. В нем содержится около 20 алкалоидов, в том числе, морфин, папаверин и кодеин, которые используют, как обезболивающие средства. Эти вещества до сих пор получают из мака, так как химически или биологически синтезировать их сложно и дорого.
В опийном маке морфин образуется из допамина и алкалоида тебаина, в качестве промежуточного вещества. Ключевыми ферментами в синтезе морфина являются цитохромы P450 и оксидоредуктаза, которые работают «в паре». Их гены образуют единый локус, STORR, который образовался в результате слияния участков генома.
В альтернативном случае из допамина образуется алкалоид носкапин (или наркотин), который используется как противокашлевое средство. Биосинтез носкапина происходит при участии ряда ферментов, которые в геноме мака образуют кластер, состоящий из 10 генов.
Британские, китайские и австралийские ученые во главе с Иэном Грэхемом (Ian Graham) из Йоркского университета секвенировали геном опийного мака и выяснили, как эволюционировал метаболизм алкалоидов.
Геном мака содержит 2,72 миллиарда пар оснований. Для сравнения, геном человека насчитывает около 3,1 миллиарда пар. Исследователи сравнили геном опийного мака с геномами 11 цветковых растений и выяснили, что разделение ближайших родственников — опийного мака из семейства маковых и водосбора голубого (Aquilegia coerulea) из семейства лютиковых — произошло около 110 миллионов лет назад. Вскоре после этого произошла перестройка генома опийного мака — полногеномная дупликация. А около 7,8 миллионов лет назад произошла еще одна полногеномная дупликация. Дупликацией называется удвоение отдельных генов, участков хромосом или, как в данном случае, всего генома. В результате появляются новые гены, так как после удвоения копии генов начинают развиваться независимо друг от друга и в них накапливаются разные мутации.
«Биохимики десятилетиями пытались выяснить, как происходила эволюция растений, в результате которой они смогли вырабатывать огромное количество химических веществ. С помощью высококачественной сборки генома мы смогли расшифровать, что происходило в геноме опийного мака», — объясняет Грэхем. «В то же время это исследование обеспечит основу для разработки инструментов для молекулярной селекции растений. Их можно будет использовать для надежного и дешевого производства обезболивающих препаратов не только в развитых, но и развивающихся странах».
По мере развития методов секвенирования, у ученых становится все больше возможностей для получения выскококачественных геномов. Так, совсем недавно был опубликован самый подробный геном пшеницы, а незадолго до этого исследователи проследили за эволюцией одомашнивания винограда и историей роз.
Екатерина Русакова