Терпены — это, пожалуй, самые распространенные и разнообразные природные соединения, которые создают растения. Они играют ключевую роль в выживании: с их помощью цветы манят опылителей, листья отпугивают голодных травоядных, а стебли защищаются от грибков и бактерий. Но, несмотря на всю важность этих веществ для экологии, ученые до сих пор точно не знают, как именно растениям удалось развить такое невероятное химическое разнообразие.

В центре внимания исследователей — особые белки, терпенсинтазы (их еще называют TPS). Это настоящие фабрики по производству терпенов. Однако эволюционные механизмы, превратившие горстку генов в сложнейший механизм синтеза тысяч разных молекул, долгое время оставались загадкой. Именно этот пробел в знаниях и побудил команду ученых из Чжэцзянского университета и Национальной лаборатории Ячжоувань к масштабному исследованию.

Результаты их работы, опубликованные в журнале Horticulture Research, проливают свет на эволюционные закономерности. Проанализировав 222 гена терпенсинтаз у 24 видов цветковых растений, исследователи выяснили, как именно дублирование генов и их последующее функциональное разделение позволило природе создать эту химическую сокровищницу.

Особое внимание уделили продуктам, которые производят эти 222 гена. Выяснилось, что три семейства генов — TPS-a, TPS-b и TPS-g — в ходе эволюции цветковых растений значительно разрослись. Именно на их «плечах» лежит ответственность за создание целого букета веществ: от летучих монотерпенов и сложных сесквитерпенов до более тяжелых дитерпенов. При этом подсемейство TPS-a, которое встречается только у цветковых, показало удивительную особенность: гены внутри него группировались не по общим функциям, а по видовой принадлежности. Это говорит о том, что у каждого вида растения шло свое собственное, независимое развитие и расширение этого семейства генов.

Вот вам наглядный пример: у томатов нашли 34 гена терпенсинтаз. И они отвечают за производство 8 разных монотерпенов, 19 сесквитерпенов и 4 дитерпенов. Причем многие из этих генов оказались настоящими мастерами на все руки. В пробирке они могли выполнять две, а то и три разные функции сразу. Однако в реальных условиях живого растения их работа зависит от того, где именно внутри клетки находится фермент и какие исходные материалы — «субстраты» — ему доступны. Благодаря такой гибкости растение и может производить терпены под конкретные задачи: выделять сладкий аромат для пчел или, наоборот, синтезировать горькое и ядовитое вещество для вредителей.

Исследование также подчеркивает практическую значимость этих генов. Например, именно работа TPS отвечает за производство таксола — известного противоракового препарата, и валенсена, который активно используют в фармацевтике и парфюмерии.

Доктор Сююнь Ван, один из авторов работы, подчеркивает:

Благодаря этому исследованию мы наконец-то начинаем понимать, как гены терпенсинтаз эволюционировали, чтобы создать то химическое разнообразие, которое мы видим у цветущих растений. Разгадав эти эволюционные закономерности, мы сможем лучше понять, как растения приспосабливаются к среде и общаются с окружающим миром.

Эти открытия важны не только для фундаментальной науки. Понимание механизмов работы TPS открывает дорогу для практического применения. Теперь ученые могут разрабатывать сорта растений, которые будут лучше защищены от вредителей и болезней, или, скажем, обладать более ярким ароматом и вкусом плодов. А для биотехнологов это прямой путь к созданию штаммов микроорганизмов или самих растений, способных в промышленных масштабах производить ценные терпены для лекарств, косметики и пищевой промышленности. Это позволит получать важные соединения дешевле, быстрее и без вреда для экологии.

Как эксперт в области биохимии растений и эволюционной геномики, я вижу в этой работе далеко идущие перспективы. Ценность этого исследования не просто в том, что «посчитали гены». Она выходит на несколько уровней.

• Во-первых, работа дает мощную теоретическую базу. Мы наконец-то получили подтверждение гипотезы о том, что «видоспецифичное расширение» генов TPS — это главный двигатель хеморазнообразия. Раньше мы видели отдельные примеры, а теперь перед нами системная картина на десятках видов. Это меняет наш взгляд на адаптацию: растения не просто подстраиваются под среду, они активно вооружаются, создавая уникальные химические „арсеналы“ для каждого вида.
• Во-вторых, открытие мультифункциональности TPS (когда один фермент делает несколько продуктов) поднимает важный вопрос о регуляции. Теперь ученым предстоит выяснить, как именно клетка «переключает» режимы работы такого фермента in vivo. Это открывает новое поле для исследований в области эпигенетики и клеточной сигнализации.

Практическая польза просто колоссальна. Мы стоим на пороге создания растений с заданными свойствами.

1. Сельское хозяйство: представьте сорта пшеницы или сои, которые сами синтезируют отпугивающие тлю или жуков терпены, но при этом не тратят ресурсы на защиту, пока врага нет. Это снизит использование пестицидов в разы.
2. Медицина и фармацевтика: сейчас многие сложные терпены (например, противораковые или противомалярийные) добывают из растений, которые растут медленно или в ограниченных зонах. Понимание работы генов TPS позволит перенести эти гены в быстрорастущие культуры или микроорганизмы (дрожжи, бактерии), создав биореакторы на их основе. Производство станет дешевле и доступнее.
3. Пищевая и парфюмерная промышленность: мы получим возможность точечно улучшать вкус и аромат фруктов и ягод, не прибегая к генной модификации в ее старом, «грубом» смысле, а аккуратно регулируя работу собственных генов растения.

Безусловно, работа ученых из Чжэцзянского университета впечатляет своим масштабом. Однако, если смотреть на нее критически, нельзя не заметить один существенный методологический пробел. Исследование в значительной степени опирается на in vitro характеристику ферментов. Мы видим, что в пробирке TPS-белки проявляют мультифункциональность и производят спектр терпенов.

Но главный вопрос, который остается за скобками: насколько эта картина соответствует реальности внутри живого растения — in vivo? Авторы сами упоминают, что на функцию влияют такие факторы, как субклеточная локализация и доступность субстратов. Однако, помимо этого, в живой клетке есть конкуренция ферментов за субстраты, компартментализация метаболических путей, а также сложные системы обратной связи и регуляции на уровне транскрипции.

В работе не видно убедительных доказательств того, что все 222 гена и все приписываемые им продукты действительно экспрессируются и синтезируются в тканях растений в тех условиях, которые для них естественны. Данные РНК-секвенирования или протеомного анализа подтвердили бы корреляцию между наличием гена и производством конкретного терпена в конкретном органе растения в ответ на стресс. Пока же мы имеем блестящий генетический каталог возможностей, но не всегда понимаем, какие из этих возможностей растение реализует на практике в борьбе за выживание. Следующий шаг — это валидация данных в природных условиях, иначе мы рискуем переоценить функциональную значимость части обнаруженных генов.

Ранее ученые выяснили, какие растения уцелеют в будущем.