Биологи впервые обнаружили горизонтальный перенос генов от растения к насекомому

Jixing Xia et al. / Cell, 2021

Китайские биологи описали первый известный пример горизонтального переноса генов от растения к насекомому. Оказалось, табачные белокрылки (Bemisia tabaci) присвоили себе растительный ген. Синтезируемый с помощью этого гена фермент позволяет насекомым нейтрализовать яд, призванный защищать растения, поэтому на этих насекомых-вредителей не влияют растительные токсины. Работа опубликована в Cell.

За более чем 400 миллионов лет сосуществования с травоядными животными растения научились защищаться: какие-то изменили свою морфологию (например, изменили форму листьев), другие же применили биохимические способы отражать атаки насекомых.

Фенольные гликозиды – группа соединений, состоящих из углеводного остатка и фенольной группы – одни из самых распространенных метаболитов растений, которые могут влиять на рост, развитие и поведение насекомых. Самим растениям эти соединения не опасны: они при помощи фермента малонилтрансферазы присоединяют к гликозидам малониловую группу, в результате фенольные гликозиды теряют свою токсичность.

Некоторые насекомые, однако, не испытывают негативных последствий от попадания фенольных гликозидов в их организм вместе с пищей: наоборот, они научились использовать их как питательные вещества и стимуляторы кладки яиц. Представители вида табачная белокрылка (Bemisia tabaci) – распространенные насекомые-вредители. B. tabaci питаются флоэмой растений, проводящей тканью, по которой продукты фотосинтеза – питательные вещества – поступают к корням, цветкам, плодам. Белокрылки переносят растительные вирусы и в целом сильно снижают урожайность. При этом вредители могут питаться более чем 600 видами растений – и прекрасно адаптируются к защитным механизмам всех этих видов. Большинство из этих растений как раз используют фенольные гликозиды как способ биохимической защиты. Bemisia tabaci нейтрализуют эти соединения при помощи ферментов, однако как именно им удается обойти отличающиеся друг от друга защитные приспособления стольких растений, оставалось неизвестным. 

Ученые Китайской академии агрокультурных наук под руководством Юцзюнь Чжана (Youjun Zhang) провели биоинформатический анализ и обнаружили в геноме насекомых B. tabaci ген малонилтрансферазы, который, по-видимому, и помогает насекомым нейтрализовать действие фенольных гликозидов. Дальнейшие исследования показали, что ближайшие гомологи этого гена есть у растений, но не у членистоногих. Ученые пришли к выводу, что что в геном насекомых B. tabaci попал специфичный для растений ген BtPMaT1. Этот ген экспрессируется у насекомых на всех стадиях развития, но больше всего во взрослом возрасте, и особенно в желудке.

Исследователи решили проверить, спасает ли растительный ген насекомых от воздействия фенольных гликозидов. Из листьев томата биологи выделили 11 соединений этой группы. Пять из них оказались ядовитыми B. tabaci, а шесть – не причинили вреда. При этом концентрации веществ (10 микромоль) в эксперименте были намного выше, чем те, которые получают насекомые в природе с пищей. Когда ученые снизили экспрессию гена BtPMaT1 на 49,2 процента, пять «нетоксичных» гликозидов повысили смертность насекомых. 

Эксперименты in vitro на клеточных культурах показали, что белок BtPMaT1 действительно обладает малонилтрансферазной активностью в отношении трех из одиннадцати протестированных фенольных гликозидов. Под действием BtPMaT1, эти соединения превратились в соответствующие малонилгликозиды. Схожие результаты были получены и в экспериментах на насекомых, которых кормили листьями томатов.

Наконец, ученые проверили, можно ли повысить устойчивость растений к белокрылкам. Исследователи создали трансгенный томат, в геном которого вставили участки ДНК, кодирующие образующие шпильки малые молекулы РНК. Шпильки из РНК позволяют подавлять экспрессию того или иного гена, в этой работе ученые нацелили их на BtPMaT1. Смертность у насекомых, которым дали листьями таких томатов, повысилась уже на первый день кормления. В условиях, имитирующих полевые, трансгенные томаты привели к смерти почти 100 процентов белокрылок, тогда как в контрольной группе смертность составила только 20 процентов.

Исследование раскрывает необычный эволюционный путь, благодаря которому табачные белокрылки смогли применить растительный ген для нейтрализации растительного же токсина. До этого были известны примеры горизонтального переноса генов членистоногим только от микроорганизмов. Показанный же в этой работе горизонтальный перенос растительного гена наделил насекомых способностью питаться многими растениями, не опасаясь фенольных гликозидов. 

Горизонтальный перенос генов – естественный процесс, когда один организм передает генетический материал не своему потомку. Получить чужую ДНК очень непросто, и о том, как это происходит, может прочитать в материале «Поверх барьеров».

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.