Így védekeznek a saját mérgük ellen a növények

Közismert, hogy a növények számtalan fajta mérgező vegyületet termelnek a növényevőkkel szembeni védekezésképpen. A jénai Max Planck Kémiai Ökológiai Intézet és a Münsteri Egyetem kutatói most vad dohánynövényekben részletesen jellemezték a védekező anyagok egy fontos csoportjának, a diterpén-glikozidoknak a bioszintézisét és pontos hatásmechanizmusát.

A diterpén-glikozidok alkalmasak arra, hogy elriasszák a növényevőket, méghozzá – amint azt a kutatás kiderítette – oly módon működnek, hogy a sejthártya bizonyos összetevőit károsítják.

A nagy trükk

A Science folyóiratban közölt eredmények szerint a növények trükkje az, hogy az anyagot nem-mérgező előformájában tárolják, melynek szintézise önmagában is rendkívül sajátos. A szerzők rámutatnak: az önmérgezés, illetve annak elkerülése a korábban feltételezettnél is fontosabb szerepet tölthet be a növényi önvédelem evolúciójában.

Általánosan elterjedt a növények körében, hogy vegyi úton védik magukat az éhes szájak támadásától. A védekező anyagok többségéről azonban alig tudjuk, pontosan mi teszi őket mérgezővé a fogyasztók számára. A Max Planck Kémiai Ökológiai Intézet és a Münsteri Egyetem kutatói most megvizsgálták, hogyan termelik a növények a mérgeiket, és miként tárolják őket a szöveteikben anélkül, hogy saját magukban kárt tennének. Legfőképpen arra voltak kíváncsiak, hogy az önmérgezés, illetve az ellene való védekezés mechanizmusa megegyezik-e azzal, melynek révén az anyag a növényevők szervezetét károsítja.

A tudósok vizsgálataikhoz egy vad dohányfaj, a Nicotiana attenuata diterpén-glikozidjait szemelték ki. „A dohánynövények levele nagyon magas koncentrációban tartalmazza ezeket az anyagokat – magyarázta Ian Baldwin, a Max Planck Intézet munkatársa –, de fogalmunk sem volt róla, miért jelentenek ennyire hatékony védelmet, és azt sem tudtuk, hogy magára a növényre is veszélyt jelenthetnek. Ebből a szempontból teljesen más velük a helyzet, mint az ugyanezen növény által szintén nagy mennyiségben termelt másik toxin, nevezetesen a nikotin esetében. A nikotin egy specifikus idegméreg, s mivel a növényeknek sem idegrendszerük, sem izmaik nincsenek, a dohány bármennyi nikotint termelhet és tárolhat nyugodtan, hiszen ennek a méreganyagnak nincs célpontja a saját szervezetében."

A kutatók – meglepetésükre – azt találták, hogy azok a módosított dohánynövények, amelyekből a diterpén-glikozidok bioszintéziséhez szükséges két fehérje génjét kiütötték, s amelyek ezért képtelenné váltak a levelekben egyébként nagy mennyiségben tárolt védekező vegyület termelésére, az önmérgezés feltűnő jeleit mutatták: beteges kinézetűek, normális növekedésre és szaporodásra képtelenek voltak. További kísérletek felderítették, hogy a sejthártyák szfingolipideknek nevezett komponensei szenvedtek bennük károsodást.

A szingolipidek olyan sejtmembrán-összetevők, amelyek növényekben és állatokban egyaránt, így a vaddohány ádáz ellenségében, a Manduca sexta nevű dohánymoly lárvájában is megtalálhatók. A kutatók a fentiek alapján megfogalmazták azt a feltevést, hogy talán a szfingolipidek anyagcseréje lehet a diterpén-glikozid típusú mérgek célpontja. Kétségtelen, hogy a diterpén-glikozidokat nem tartalmazó dohányon mint tápnövényen élő Manduca hernyók lényegesen jobban növekedtek, mint a módosítatlan, diterpén-glikozidokban gazdag dohányon élősködő társaik. Az diterpén-glikozidos eredeti dohánynövényen élő Manduca sexta lárvák ürülékének vizsgálata további támpontokat nyújtott, mivel a növényi méreganyag lebontása a hernyók emésztőcsatornájában nagyjából ugyanazokon a lépéseken megy keresztül, csak fordított irányban, mint a bioszintézis.

Kiderült:

A génmódosított dohányban azért jelentkezett a mérgező hatás, mert benne éppen a diterpénglikozid-bioszintézis ártalmatlanító lépései lettek kiütve. „Mindkét esetben – úgy a befejezetlen diterpénglikozid-szintézisúttal rendelkező növényekben, mint a módosítatlan dohány-tápnövényen élő hernyókban – a szfingolipid-anyagcsere volt a toxinok célpontja" – erősítette meg Jiancai Li, a cikk vezető szerzője.

Jelentős gyakorlati haszna lehet a felfedezésnek

A szfingolipidek számos élettani folyamatban játszanak közvetítő szerepet; ez teszi a diterpén-glikozidoknak a szfingolipid-anyagcserére gyakorolt hatását olyan izgalmassá. „A diterpén-glikozidok és származékaik széles körű védelmet nyújtanak a legkülönbözőbb mezőgazdasági kártevők és kórokozó gombák ellen. Ugyanakkor egy sor emberi betegségben, így a cukorbetegségben, a daganatokban és egyes neurodegeneratív betegségekben a szfingolipid-anyagcsere fokozódását figyelhetjük meg" – fejtette ki Shuqing Xu, a Münsteri Egyetem Evolúció- és Biodiverzitáskutató Intézetének munkatársa és a közlemény egyik rangidős szerzője.

A szerzők kiemelik: a molylárvák ürülékének elemzése kulcsszerepet játszott a felfedezésben. Új szót is alkottak ennek a megközelítésnek az elnevezésére: a magyarra leginkább „rovarkakomika"-ként (frassomics) fordítható kifejezés az anyagcseretermékek átfogó vizsgálatára (metabolomika) utal a rovarok és lárváik ürülékében.

– emelte ki Baldwin.

A tudósok most további tápnövény-rovar emésztési párosokat kívánnak vizsgálatba vonni, hogy jobban megértsék a növények, rovarok és mikroorganizmusok közötti ökológiai kölcsönhatásokat.