Красочный пигмент, который добывают из лакового червеца, на самом деле может производить не сам жук, а дрожжеподобный организм, живущий внутри него. Ученые из Индийского научного института обнаружили, что именно этот симбионт содержит гены, отвечающие за синтез красящего вещества.

Лаковый пигмент ценится веками — его используют в пищевых красителях, тканях, красках, а также в народных промыслах.

Индия тысячелетиями была главным поставщиком этого пигмента, — говорит Шантану Шукла, доцент кафедры биологии развития и генетики, соавтор исследования, опубликованного в PNAS.

Лаковый червец живет на деревьях, питается их соком и выделяет смолу — шеллак.

А еще он производит ярко-красное вещество — лаковую кислоту, из которой и делают пигмент.

Но как именно насекомое ее синтезирует, долго оставалось загадкой.

Ученые десятилетиями искали гены, отвечающие за этот процесс, в ДНК червеца, но безуспешно.

Путь синтеза пигмента был неясен, — объясняет Шукла.

Один из ключевых компонентов лаковой кислоты — аминокислота тирозин. Сам червец не умеет ее производить, а в древесном соке ее нет. Обычно в таких случаях насекомым помогают симбиотические бактерии или грибы, которые живут внутри их тела и поставляют нужные вещества в обмен на кров и пищу.

Ученые проанализировали весь микробиом лакового червеца и выделили двух главных кандидатов: бактерию рода Wolbachia и дрожжеподобный гриб. Раньше исследователи замечали присутствие гриба, но не могли его идентифицировать.

В новом исследовании выяснилось, что ни сам червец, ни бактерия не несут генов, необходимых для синтеза тирозина и других компонентов пигмента. Зато у дрожжеподобного организма они есть — полный набор генов для производства лаковой кислоты, включая ферменты, которые превращают простые молекулы в сложные красящие вещества.

Главной сложностью было вырастить лаковых червецов без этого гриба, чтобы проверить его роль.

Гриб невозможно культивировать отдельно, а сами насекомые не выживают вне дерева-хозяина, — говорит Вайшалли, ведущий автор исследования. — Пришлось работать с насекомыми, живущими на растениях, что усложнило эксперименты.

Самое удивительное — гриб живет прямо в яйцеклетках червеца. Сначала он плавает в гемолимфе (аналоге крови), а когда яйцо созревает, проникает внутрь и передается следующему поколению.

Гемолимфа — жидкость в теле насекомых, выполняющая функции крови: переносит питательные вещества, гормоны и иммунные клетки, но не содержит гемоглобина, поэтому не красная.

Такая вертикальная передача — редкое явление, — отмечает Шукла.

Когда ученые обработали насекомых фунгицидом, производство пигмента сократилось, а сами червецы стали мельче.

Видимо, гриб поставляет не только тирозин, но и другие недостающие питательные вещества — такая зависимость формировалась миллионы лет.

Дрожжеподобный организм — ключевой игрок в этой истории, потому что грибные симбионты у насекомых изучены плохо, — говорит Шукла. — Это исследование показывает, какую важную роль грибы играют в эволюции насекомых.

Открытие может привести к нескольким практическим применениям:

• Биотехнологии — если генетически модифицировать дрожжи, можно наладить промышленный синтез лакового пигмента без выращивания насекомых.
• Сельское хозяйство — понимание симбиоза поможет защитить лаковых червецов от болезней, что важно для регионов, где их разведение — традиционный промысел.
• Медицина — механизмы синтеза сложных молекул у симбионтов могут подсказать новые пути создания лекарств.

Исследование не до конца объясняет, как именно гриб и червец координируют синтез пигмента. Например, непонятно, регулирует ли насекомое активность генов гриба или процесс идет автономно. Кроме того, эксперименты проводились в естественной среде, что могло внести дополнительные переменные.

Ранее ученые провели эксперимент, в ходе которого сделали живую мышь прозрачной с помощью пищевого красителя.