Как травоядные борются с токсинами

Растения производят ошеломляющее количество разнообразных химических соединений. Многие из этих природных соединений отпугивают или убивают травоядных, как и пестициды, которые производят люди. Тем не менее, некоторые травоядные насекомые научились преодолевать эти токсичные соединения.

Эта гусеница табачного рогатого червя ест табачный лист. Табачные растения производят токсин под названием никотин. Эти специализированные травоядные могут есть табак без вредных последствий, потому что они производят фермент, способный обезвреживать никотин. Удивительно, но они также выделяют часть никотина, который они съели, из отверстий в боках, чтобы отпугивать хищников, таких как пауки.

Место на белке насекомого, с которым связывается растительный токсин, называется «участком-мишенью». Нажимайте кнопки, чтобы включить или выключить устойчивость насекомых к токсину, затем добавьте токсин, чтобы посмотреть, что произойдет.

Клопы молочая (Oncopeltus fasciatus) развили нечувствительность целевых участков к карденолидным токсинам в растении молочая.

Некоторые растительные соединения наносят вред насекомым или клещам, связываясь со специфическими белками в клетках вредителей и изменяя их работу. Место на белке, где связывается токсин, называется сайтом-мишенью. Эти токсины могут препятствовать работе белков или делать их чрезмерно активными. В любом случае, травоядные не могут процветать и часто умирают.
Такие растения, как молочай и наперстянка, вырабатывают токсины на основе целевых участков, называемые карденолидными соединениями. Карденолиды нацелены на белок, который содержится в клетках всех животных: натрий-калиевый насос. Этот белок перемещает положительно заряженные ионы внутрь и наружу клеток, удерживая большее количество ионов снаружи. Поддержание надлежащего баланса важно для многих клеточных функций.
Карденолиды связываются с определенным местом на белке насоса, отключая его. При отключении насоса ионы натрия захватываются внутри клетки. Это нарушает ионный градиент и снижает активность клеток.
Некоторые специализированные травоядные выработали устойчивость к этому смертельному токсину. Они делают версию натрий-калиевого насоса, с которой токсин не может связываться. Это изменение связано с небольшими различиями в аминокислотных строительных блоках, из которых состоит мишень для токсина. Свободные от угрозы насекомые с этим измененным белком могут без вреда поедать растения с карденолидами.
Этот способ действия — небольшая молекула связывается с определенным белком и изменяет его функцию — так работает большинство синтетических пестицидов.
Точно так же, как насекомые преодолевают растительные токсины, они могут развить устойчивость к синтетическим пестицидам. Все, что требуется, это небольшое изменение ДНК в гене, кодирующем белок-мишень пестицида. Если изменение ДНК изменяет аминокислоты, составляющие целевой участок, пестицид не может связываться. Этот механизм устойчивости называется нечувствительностью целевого участка или резистентностью целевого участка.

Некоторые растения вырабатывают токсины, которые вступают в реакцию с широким кругом целей, вызывая у насекомых «всеобщий» ущерб. Распространяющиеся по всему участку растительные токсины настолько смертоносны, потому что они разрушают множество биологических молекул, таких как аминокислоты или ДНК, которые жизненно важны для функционирования клеток. Токсины, распространяющиеся по всему сайту, включают глюкозинолаты, вырабатываемые растениями горчицы, и бензоксазиноиды, вырабатываемые травами, такими как пшеница и кукуруза (кукуруза).
Для борьбы с токсинами — продуктами клеточного метаболизма, а также поступающими извне — травоядные и многие другие животные используют ферменты CYP. Эти ферменты начинают процесс, посредством которого клетки превращают токсичные соединения в безвредные молекулы, которые организм может использовать или выделять. Неудивительно, что ферменты детоксикации, такие как CYP, могут быть еще одним средством устойчивости к пестицидам.
Ферменты CYP кодируются «суперсемейством» генов. Большинство насекомых имеют большой набор генов CYP, каждый из которых кодирует белок, взаимодействующий с различным набором молекул. Некоторые насекомые имеют более 150 различных видов.
Мутация в кодирующей последовательности гена детоксикации может изменить белок, который кодирует ген. Измененный белок может обезвреживать новое соединение, такое как синтетический пестицид. Если насекомое с такой мутацией размножается, оно может передать генную вариацию и устойчивость к пестицидам своему потомству. Через несколько поколений эта черта может перейти ко многим особям в популяции, что приведет к повсеместному сопротивлению.
Кроме того, новые генетические варианты могут возникать в результате изменений в промоутерах генов — последовательностях ДНК, которые контролируют, когда, где и в каком количестве производится белок. Если изменение увеличивает количество производимого фермента CYP, насекомое может стать устойчивым к пестициду или растительному токсину.

Во время инвазии размер популяции травоядных вредителей может достигать миллионов или даже миллиардов в течение нескольких месяцев. Вначале эти популяции могут быть восприимчивы к определенному пестициду. Однако в популяции может быть небольшое количество резистентных особей. Эти устойчивые немногие могут выжить при применении пестицидов, быстро размножаясь, чтобы создать устойчивую к пестицидам популяцию.

Новые генетические вариации, передающие устойчивость, могут возникнуть еще до применения пестицидов. Новые мутации появляются случайно, с каждым циклом размножения. Вероятность того, что у какого-либо одного человека будет новая мутация, передающая резистентность, очень мала. Но чем больше население, тем больше вероятность того, что это произойдет. Как только возникает резистентная особь, она может очень быстро передать свои гены многим потомкам. Если пестициды убивают неустойчивых особей, резистентная популяция может расти еще быстрее.
Насекомые с устойчивостью к пестицидам могут распространяться в близлежащие районы. Некоторые могут летать, а некоторые носятся ветром. Затем эти люди могут размножаться с местным населением, передавая своим потомкам аллели устойчивости к пестицидам.
Устойчивость к пестицидам может даже распространиться по всему миру. Вредители могут перемещаться на большие расстояния в судах, перевозящих фрукты, овощи, пиломатериалы и сельскохозяйственное оборудование. Насекомые могут пересекать границы легче, чем когда-либо, в нашей растущей глобальной продовольственной экономике. Как только инвазивные насекомые достигают новых берегов, они часто находят растения без защиты от них, которыми они могут легко питаться.
Чужеродные насекомые также могут вызывать устойчивость к пестицидам. При распространении устойчивых вредителей пестициды, которые когда-то широко использовались, могут стать неэффективными в обширных географических районах.
Например, белокрылка Q-биотипа прибыла в США из Средиземноморья в 2004 году. Вероятно, она перебралась на привезенных декоративных растениях. Белокрылки — колюще-сосущие насекомые, питающиеся многими видами растений. Во время кормления они могут передавать вредные вирусы растению. Они являются распространенным сельскохозяйственным вредителем декоративных растений, таких как пуансеттия, и овощных культур, таких как огурцы. Раньше белокрылки были управляемой проблемой в теплицах в США. Но белокрылка Q-биотипа устойчива ко многим широко используемым пестицидам, что создает новые проблемы для производителей.

В зимние месяцы Соединенные Штаты импортируют почти 80 процентов свежих фруктов и овощей из других стран. Сельскохозяйственные специалисты Таможенной и пограничной службы США должны тщательно проверять поступающую продукцию на наличие насекомых-вредителей.