Виноваты гены: ученые объяснили зловредность борщевика Сосновского
Команда ученых из Института общей генетики РАН, Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени Белозерского МГУ, МФТИ и Института науки и технологий Сколково провела сравнение геномов двух ботанических видов — борщевика Сосновского (Heracléum sosnówskyi), который известен как агрессивный сорняк и провокатор фотохимических ожогов, и сравнительно безобидного борщевика сибирского (Heracléum sibíricum), которого в разных местностях называют пу́чка и пика́н. Сравнивались транскриптомы и метаболомы двух растений.
Было доказано, что гены обоих видов борщевика кодируют ферменты, занятые в синтезе фотосенсибилизаторов фуранокумаринов, которые и служат причиной ожогов. Но регуляция экспрессии генов разная. Работа опубликована изданием BMC Plant Biology.
Борщевик Сосновского заслужил дурную репутацию, причем с годами она становится только хуже. Его заросли покрывают заброшенные поля, луга, обочины автомобильных и железных дорог. От зеленых захватчиков крайне трудно избавиться. Но, самое главное, к растениям категорически нельзя прикасаться — малейший контакт при солнечном свете гарантирует сильный ожог. Если сок борщевика попал на кожу ночью и не был вовремя смыт, ожог также гарантирован.
Гигантский борщевик Сосновского — инвазивный вид, пришедший на территорию России, Восточной и Северной Европы с Кавказа. Содержащиеся во всех частях растения фотосенсибилизирующие соединения фуранокумарины кратно повышают чувствительность кожных покровов к ультрафиолетовому свету.
Другие представители рода Heracleum в России менее вредоносны. Сибирский борщевик меньше ростом, малоинвазивен и не почти вызывает ожогов у людей.
Российские ученые решили найти причину столь радикальных отличий. Они сравнили два вида борщевика на биохимическом и геномном уровнях. Работу провел коллектив Алексея Пенина из лаборатории геномики растений ИОГен РАН и Марии Логачевой из Сколково. Также в исследовании принимали участие ученые НИИФХБ МГУ и МФТИ. Ранее эта же команда секвенировала геном Heracléum sosnówskyi и выяснила, какие участки генома отвечают за производство фуранокумаринов.
Фуранокумарины — это гетероциклические вещества, включающие три бензольных кольца. Структурно их молекулы делятся на угловые и линейные. Разные растения семейства Umbelliferae (Зонтичные), к которому относится борщевик, содержат разные фуранокумарины. Более сильной способностью к фотосенсибилизации обладают линейные соединения, прежде всего псорален и его производные.
Исследователи собрали образцы растений из популяций в Московской области и в Карелии. В листьях, цветках и плодах растений методами жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии был измерен уровень фуранокумаринов. Затем была изучена экспрессия генов, отвечающих за биосинтез этих соединений.
Оба вида содержат прекурсоры фуранокумаринов и ферменты-катализаторы, требующиеся для синтеза. Но в частях борщевика Сосновского фуранокумаринов было гораздо больше, чем в сибирском борщевике, причем там присутствуют как линейные фуранокумарины, отвечающие за фотосенсибилизацию, так и безопасные для людей угловые. Ученые связывают эту разницу с более высокой метаболичностью инвазивного H. sosnówskyi, которому ради завоевания жизненного пространства необходимо уметь защищаться — от насекомых, вирусов, бактерий, паразитических грибков. И если на человека угловые кумарины не действуют, то для ряда микроскопических недругов борщевика они смертельны. Вероятно, именно полный «комплект» фуранокумаринов стал одной из причин невероятной живучести и адаптивности борщевика Сосновского.
Геномы обоих видов кодируют ферменты, задействованные в синтезе как угловых, так и линейных фуранокумаринов. По способности к производству сенсобилизаторов борщевики практически не различаются. Различие возникает на стадии регуляции генов. Борщевик сибирский производит их в гораздо меньших количествах. Но ученые отмечают, что осторожность при обращении с ним не помешает — фуранокумарины в растении есть, в том числе сенсобилизирующие линейные, а ни один человек не застрахован от повышенной чувствительности к определенным видам аллергенов.
В разных частях растений уровень сенсобилизаторов тоже отличается. Больше всего их в цветках и плодах. В листьях их меньше, в стеблях и корнях совсем мало. Также содержание фуранокумаринов варьируется в зависимости от географической популяции, времени года, климата и других факторов. Изучение связи экологии борщевика, его инвазивности и опасности для людей должно стать темой новых исследований.
Об успехах и перспективах борьбы с борщевиком Сосновского мы рассказали здесь.
