Ученые сорок лет не могли разгадать загадку изопрена — вещества, которое производят растения. Новое исследование Мичиганского университета наконец показало, как этот природный компонент отпугивает насекомых и почему некоторые растения начинают его вырабатывать в стрессовых условиях.

Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Том Шарки, профессор биохимии, изучает изопрен почти всю свою карьеру. Его команда обнаружила, что это вещество запускает в растениях гормональную реакцию, делающую их несъедобными для вредителей. Насекомые, попробовавшие листья с изопреном, сталкивались с проблемами пищеварения: белки в таких растениях становились для них слишком жесткими. А те, кто упорствовал, росли медленнее.

Еще одно открытие — соевые бобы, оказывается, тоже производят изопрен, но только когда их листья повреждены. Раньше считалось, что современные сельскохозяйственные культуры утратили эту способность в ходе эволюции. Теперь ясно: изопрен помогает растениям выдерживать жару и атаки вредителей.

Но у этой защиты есть обратная сторона. Изопрен — это углеводород, который ухудшает качество воздуха, особенно в загрязненных регионах. Если генетически модифицировать больше культурных растений для выработки изопрена, это может усилить смог.

Главный вопрос теперь — что важнее? — говорит Шарки. — Защитить урожай от насекомых ценой ухудшения атмосферы? Или, наоборот, подавить выработку изопрена у растений, чтобы воздух стал чище?

Невидимый защитник

Изопрен — один из самых распространенных углеводородов в природе, уступает только метану. Он вступает в реакцию с выхлопными газами и солнечным светом, образуя вредные соединения, включая озон.

Не все растения производят изопрен, а те, что делают это, активизируются в жару. Больше всего его выделяют дубы и тополя. В отличие от смолы хвойных, изопрен не имеет запаха — поэтому дубовая роща пахнет нейтрально, а сосновый лес наполнен ароматом.

Ученые долго не понимали, зачем растениям изопрен, ведь его производство требует энергии, которую можно было бы потратить на рост. Шарки предположил: раз этот механизм сохранился в ходе эволюции, значит, он дает какое-то преимущество.

Случайное открытие

В теплице Мичиганского университета завелась белокрылка. Исследователи выращивали там два вида табака: обычный и генетически модифицированный, производящий изопрен. Вредители явно предпочитали первый вариант.

Тогда ученые провели эксперимент с табачным бражником. Гусеницы объедали обычные листья, но почти не трогали те, что выделяли изопрен. Через десять дней «изопреновая» группа оказалась значительно меньше.

Оказалось, сам изопрен не ядовит для насекомых. Он запускает выработку жасмоновой кислоты, которая делает белки в листьях трудноперевариваемыми и замедляет рост вредителей.

Жасмоновая кислота — гормон растений, который включается при повреждении листьев. Она меняет состав сока, делая его менее питательным для вредителей, и активирует рост защитных тканей.

Спящие гены сои

До недавнего времени считалось, что сельскохозяйственные культуры вроде сои и кукурузы утратили способность производить изопрен. Но в 2022 году в сое нашли два рабочих гена, отвечающих за его синтез.

Ученые повредили листья сои зажимами — и те ответили выбросом изопрена. Это значит, растение может включать защиту по необходимости, не тратя ресурсы впустую.

Теперь предстоит выяснить, как именно изопрен помогает сое выживать в экстремальных условиях. Но есть и тревожный момент: если в жаркие годы соевые поля начнут массово выделять изопрен, это усугубит проблему загрязнения воздуха.

Изопрен — крупнейший природный источник углеводородов в атмосфере, — говорит Шарки. — Мы обязаны понять, как он работает.

Польза исследования

• Экологичная защита урожая – если удастся регулировать выработку изопрена у культурных растений, можно снизить зависимость от химических пестицидов.
• Устойчивость к климатическим изменениям – изопрен помогает растениям переносить жару, что критически важно при глобальном потеплении.
• Новые направления селекции – открытие спящих генов у сои показывает, что у других культур тоже могут быть скрытые защитные механизмы.

При этом исследование не учитывает долгосрочный эффект массового внедрения изопрен-продуцирующих культур. Уже сейчас дубы и тополя вносят вклад в смог — если добавить к этому сельхозполя, последствия для атмосферы могут быть непредсказуемыми.

Ранее ученые нашли связь между запахом скошенной травы и изменением климата.