Различия между опасным и безопасным видами борщевика оказались не качественными, а количественными

Борщевик имеет дурную славу одного из самых зловредных инвазивных растений Помимо того, что он заполняет собой все возможные пространства, у человека при контакте с ним возникают сильные ожоги при пребывании на солнце. В этом виновны содержащиеся в нем фуранокумарины, фотосенсибилизирующие вещества, повышающие чувствительность кожи к солнечному излучению. Прежде всего это относится к наиболее известному гигантскому борщевику Сосновского (Heracleum sosnowskyi), который из своего природного ареала на Кавказе распространился по территории России, Восточной и Северной Европы. Фуранокумарины содержатся и во многих других видах рода Heracleum и в других растениях семейства зонтичных (Apiaceae). Но большинство из них безопасны для человека. Например, борщевик сибирский (Heracleum sibiricum) — растение гораздо более скромных размеров, с желтыми соцветиями, — не обладает фотосенсибилизирующими свойствами.

 

Специалисты из Института физико-химической биологии им. Белозерского МГУ, МФТИ, Института общей генетики РАН и Сколковского института науки и технологий исследовали причины повышенной способности к фотосенсибилизации H. sosnowskyi по сравнению с H. sibiricum. Для этого использовали транскриптомные и метаболомные данные двух видов. Результаты работы опубликованы в журнале BMC Plant Biology.

 

Ранее эта же команда исследователей (руководители — зав. лаборатории геномики растений ИОГен РАН Алексей Пенин и доцент Сколтеха Мария Логачева) секвенировала геном борщевика Сосновского и описала гены, вовлеченные в биосинтез фуранокумаринов. Фуранокумарины — это кислородсодержащие гетероциклические соединения из трех колец, по структуре молекулы они делятся на линейные и угловые. Фотосенсибилизирующими свойствами обладают линейные фуранокумарины, в особенности псорален и его производные (5- и 8-метоксипсорален).

Образцы борщевика Сосновского и борщевика сибирского были собраны из двух популяций каждого вида (в Московской области и в Карелии). Содержание фуранокумаринов в них измеряли методами жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии, а также для каждого образца провели анализ транскриптома в разных органах (листья, цветки, плоды). Оказалось, что оба вида содержат все предшественники фуранокумаринов и все ферменты, необходимые для их синтеза.

 

Исследователи ожидали, что в образцах борщевика Сосновского будет больше линейных фуранокумаринов и меньше угловых, чем у сибирского, потому что фотосенсибилизацию обеспечивают именно линейные формы. Первое предположение оказалось верным, но по угловым фуронокумаринам результат был противоположным ожидаемому. В борщевике Сосновского их гораздо больше, а в сибирском они выявлены только в следовых количествах. Видимо, это связано с тем, что борщевик Сосновского в целом гораздо более метаболически активен. Кроме того, для угловых фуранокумаринов показана инсектицидная активность. Возможно, повышенный синтез угловых фуранокумаринов дополнительно защищает борщевик Сосновского от его естественных врагов.

На следующем этапе специалисты охарактеризовали гены, вовлеченные в пути биосинтеза фуранокумаринов у обоих видов. Сравнение транскриптомов показало, что геномы обоих видов борщевика кодируют все ферменты, необходимые для синтеза линейных и угловых фуранокумаринов. Авторы пришли к выводу, что H. sosnowskyi и H. sibiricum не различаются по теоретической способности к их синтезу. Но при этом в геноме H. sosnowskyi ключевые для биосинтеза фуранокумаринов гены находятся в большем числе копий, чем в геноме H. sibiricum. У H. sosnowskyi также активнее экспрессировались гены, связанные с синтезом фотосенсибилизирующих метоксипроизводных псоралена — бергаптена и ксантотоксина, чем у H. sibiricum.

 

Содержание фуранокумаринов и уровни экспрессии генов ферментов биосинтеза различалось как между видами, так и в разных популяциях и в разных органах растения. Репродуктивные органы (цветки и плоды) обычно содержат больше фуранокумаринов, чем листья. В борщевике сибирском может быть высокий уровень ксантотоксина, хотя и со значительно меньшей вероятностью, чем в борщевике Сосновского. Можно предположить, что синтез тех или иных соединений зависит также от экологических и физиологических факторов и регулируется эпигеномными механизмами.

 

Комментирует первый автор статьи Виктория Штратникова, с.н.с. НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ:

 

— Мы также провели работу по поиску и анализу всех публикаций мировой науки, связанных с выделением и анализом фуранокумаринов из этих борщевиков, поэтому статья содержит полный список литературы (около 50 публикаций), начиная с самых первых работ, и исчерпывающий список всех форм фуранокумаринов, которые когда-либо были обнаружены в борщевике Сосновского и борщевике сибирском. Попытка выявить на основании этих публикаций факторы окружающей среды, могущие вызывать или усиливать синтез линейных фуранокумаринов, пока успехом не увенчалась, но, возможно, на это влияют не долговременные климатические, а кратковременные погодные условия, которые в ретроспективном плане плохо поддаются анализу.

Верно ли, что различия в содержании фуранокумаринов между двумя видами борщевика, один из которых вызывает солнечные ожоги, а другой — нет, не качественные, а количественные?

 

Да, наша работа показывает, что это так. Мы считаем, что различия между видами вызваны не радикальными генетическими отличиями, такими как наличие или отсутствие каких-то из генов биосинтеза фуранокумаринов, а какими-то другими факторами, например, особенностями регуляции этих генов. Практический вывод заключается в том, что следует соблюдать осторожность при обращении с любым борщевиком — несмотря на их безопасность, есть некоторая вероятность получения ожогов, потому что чувствительность к фуранокумаринам у разных людей сильно отличается.

Можно ли предположить, что виды, более химически «вооруженные», становятся более адаптивными и способными к биологической инвазии, как борщевик Сосновского?

 

Совершенно верно. Мы считаем, что многие (хотя наверняка не все) причины высокой инвазивности борщевика Сосновского связаны с его мощной защитной системой, обеспечивающей устойчивость против естественных врагов — насекомых, грибов, бактерий.

Мария Логачева: «У борщевика очень много генов, около 55 тысяч»