Как растения производят, хранят и используют токсины

Растения производят ошеломляющее количество маленьких молекул, которые они используют в своих войнах с насекомыми или другими животными, такими как клещи или позвоночные, которые пытаются их съесть. В некоторых случаях эти токсичные молекулы нарушают работу нервной системы животных. Или они могут мешать основным клеточным и биохимическим функциям, необходимым для жизни. Некоторые растения производят белки, которые затрудняют получение насекомыми необходимых питательных веществ из тканей растений, которые они потребляют. Некоторые из них могут замедлять рост и развитие насекомых, уменьшая повреждение растений.
На этой странице описывается, как растения производят, хранят и используют токсичные молекулы и белки, которые отпугивают насекомых и других травоядных.

Цветок индийского дерева ним. Масло нима является важным экологически чистым пестицидом. Многие токсичные соединения в этом растении резко нарушают рост насекомых, вызывая их раннюю гибель.

В геномах растений обычно больше генов, чем в геномах животных, которые их потребляют. Одна из причин, по которой у растений так много генов, заключается в том, что они производят большое количество ферментов. Растения используют эти ферменты для производства сложных химических соединений. Некоторые из этих соединений играют роль в развитии и размножении растений. Многие из них также используются для защиты. Эти защитные соединения часто называют «специальными соединениями».
Одно растение может производить определенное специализированное соединение, в то время как близкородственное растение может производить другое. Но родственные растения часто образуют аналогичные специализированные соединения. Эти соединения важны для успеха семейств растений. Например, растения семейства горчичных производят соединения глюкозинолатов. И многие растения семейства злаковых производят бензоксазиноидные соединения.

Иногда соединения, очень эффективные против травоядных, развивались независимо в разных семействах растений. Одним из примеров являются цианогенные глюкозиды. Эти соединения присутствуют в неродственных растениях, таких как сорго, маниока и лимская фасоль.

Глюкоза помогает стабилизировать токсин и сохранить его неактивным, чтобы его можно было безопасно хранить внутри растения. Как только глюкоза удаляется, токсин активируется. Токсин, полученный из цианогенных глюкозидов, представляет собой цианид, который чрезвычайно вреден для животных.

Часто повреждение вызывает только одна часть молекулы специализированного соединения. Эта часть может повредить даже растению, которое ее производит. Итак, в растении эти реактивные химические группы связаны в большие молекулы. Это делает их безопасными для хранения. Глюкоза, обычный и безвредный сахар, часто служит этой цели. Когда травоядные питаются растительными клетками, растительные ферменты удаляют глюкозу. Или иногда токсин может образоваться позже, в пищеварительной системе травоядного. Эти процессы активизируют токсическую часть специализированного соединения. Эти механизмы гарантируют, что токсины нанесут вред травоядным, защищая растение.

Связанный контентУзнайте больше о том, как травоядные насекомые могут разработать способы преодоления токсинов.

Растения тщательно контролируют, как создаются, хранятся и высвобождаются специализированные соединения. Этот химический процесс может быть очень сложным. В кукурузе по крайней мере четырнадцать различных ферментов собирают бензоксазиноиды в трех разных клеточных органеллах. Однажды построенное растение хранит неактивный токсин в своих клеточных вакуолях. Когда травоядное грызет лист, вакуоль разрывается. Когда неактивный токсин выплескивается наружу, он вступает в реакцию с ферментами цитоплазмы. Токсин активируется, и травоядное съедает его.

DIMBOA с присоединенной глюкозой (DIMBOA-Glc) представляет собой один из видов бензоксазиноидов, вырабатываемых кукурузой. Это лишь некоторые из ферментов, которые растения используют для производства бензоксазиноидов.

Растения помидоров вырабатывают белок, называемый треониндезаминазой. Этот белок расщепляет аминокислоту треонин в пищеварительной системе насекомых.

Многие растения производят белки, которые затрудняют получение питательных веществ травоядными насекомыми. Одной из хорошо изученных групп этих защитных растительных белков являются ингибиторы протеазы. Многие растения производят эти ингибиторы в очень высоких количествах, когда они подвергаются атаке. Когда их поедают насекомые, ингибиторы связываются с протеазами и инактивируют их. Насекомым нужны протеазы для переваривания пищи. Когда их протеазы отключены, насекомое не может расщеплять проглоченные растительные белки. Аминокислотные строительные блоки растительных белков не могут быть поглощены.
Аминокислоты также богаты азотом. Этот элемент необходим для многих процессов в клетках, таких как рост. Таким образом, ингибиторы протеазы могут препятствовать росту насекомых.
У некоторых растений также есть другие специализированные белковые защиты. Например, растения помидоров и картофеля вырабатывают белок, называемый треониндезаминазой. Этот белок расщепляет незаменимую аминокислоту треонин в пищеварительной системе насекомых. Треонин является незаменимой аминокислотой. Большинство животных должны получать его из своего рациона, чтобы выжить. Треониндезаминаза ограничивает рост насекомого, ограничивая количество доступного треонина. Это калечит травоядных, чтобы растение могло процветать.

Токсины и защитные белки в сельскохозяйственных культурах имеют решающее значение. Без этой защиты травоядные понесли бы гораздо большие потери урожая. Это имело бы серьезные негативные последствия как для фермеров, так и для общества.
Токсины, которые растения производят для отпугивания травоядных, также воздействуют на людей. Эти воздействия могут быть как отрицательными, так и положительными. Например, маниока является основной культурой для сотен миллионов людей во многих тропических странах. Он также богат цианистым водородом. Людям приходится перерабатывать маниоку, чтобы сделать ее съедобной. Замачивание корней маниоки в воде — это один из способов растворить и удалить цианистый водород. Приготовление пищи при высокой температуре также снижает содержание токсинов в некоторых растениях. Кулинария — это уникальная человеческая инновация, которая используется для устранения токсичных цианидов в некоторых культурах, таких как лимская фасоль. Приготовление пищи также может разрушить защитные белки, вредные для человека.
Селекционеры также разработали сорта сельскохозяйственных культур с пониженным уровнем токсинов в частях растений, потребляемых людьми. Например, семена рапса (источник масла канолы) были отобраны генетиками как имеющие низкое содержание глюкозинолатных токсинов. Кроме того, фермеры выбрали «сладкие» сорта миндаля с низким содержанием цианида. В некоторых случаях соединения, отпугивающие насекомых и других травоядных, также придают продуктам сильный вкус, который нравится людям.

Средства защиты растений и пища, которую мы едим. Слева направо: растение рапса, из которого делают масло канолы, корни хрена на продажу, лимская фасоль еще на лозе и сладкий миндаль.