Учёные выявили природный алгоритм ДНК‑инсектицидов для защиты растений от насекомых‑вредителей

Учёные из Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского совместно с сотрудниками Никитского ботанического сада, Цзилиньского сельскохозяйственного университета (Китай) и Университета Билькент (Турция) провели исследование природного механизма защиты растений от насекомых‑вредителей. Они показали, как вечнозелёный кустарник смолосемянник обыкновенный формирует природный ДНК‑инсектицид и как этот алгоритм связан с ранее созданной технологией «генетической застёжки‑молнии». Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.

Авторы исследования выяснили, что технология «генетической застёжки‑молнии», ранее разработанная в лаборатории для борьбы с вредителями, имеет аналог в природе. Растение смолосемянник выделяет на листья короткие последовательности ДНК, которые связываются с жизненно важными молекулами в клетках насекомого и приводят к его гибели. Открытие подтверждает, что существующие ДНК‑инсектициды работают как естественный и безопасный для природы механизм борьбы с вредителями и могут лечь в основу более простых в получении препаратов.

В сельском хозяйстве для защиты растений от вредителей традиционно используют химические инсектициды. Эти вещества, хотя и эффективны, загрязняют почвенные и водные экосистемы и при попадании в организм человека или животного могут вызывать отравление. Вредители быстро вырабатывают устойчивость к таким средствам, следовательно учёные ищут биологические альтернативы. Одним из таких методов стала техника «генетической застёжки‑молнии».

В рамках этой технологии специалисты искусственно создают короткую последовательность ДНК, которая при прямом контакте с насекомым попадает в клетки его организма и связывается с рибосомными РНК. Эти молекулы необходимы для синтеза белка. РНК, связанные с искусственной ДНК, теряют свои функции, и вредитель гибнет. Такой подход уже используется в экспериментальных препаратах для борьбы с клопами, трипсами и клещами. Преимущество метода в том, что короткие ДНК специфичны, они поражают только насекомое, на которое нацелены биологи, и не опасны для других организмов.

Исследователи из Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского с коллегами в начальный раз обнаружили, что в природе существует алгоритм, очень похожий на эту технологию. Сначала они заметили, что на листьях смолосемянника обыкновенного насекомые‑вредители гибнут чаще, чем на других растениях. На этом основании биологи предположили, что у растения есть собственный механизм защиты, и выбрали его для изучения.

В ходе работы выяснилось, что на листьях смолосемянника присутствует внеклеточная ДНК. Это небольшие молекулы генетического материала, которые растение не хранит в ядрах клеток, а выводит на поверхность. Эти молекулы состоят из одной цепи, тогда как обычная ДНК растений имеет вид двойной спирали.

Биологи нанесли раствор с природной ДНК на личинок ложнощитовки, которая является опасным вредителем цитрусовых и декоративных растений. Препарат представил сильное инсектицидное действие, через 4 дня после обработки погибло приблизительно 80% насекомых. Затем разработчики изучили алгоритм такого эффекта.

Оказалось, что ДНК‑инсектицид проникает в клетки вредителя и связывается с рибосомными РНК, нарушая синтез белков, а также подавляет работу важных для жизнедеятельности ферментов. Таким образом, природные внеклеточные ДНК действуют по тому же принципу, что и «генетическая застёжка‑молния».

Руководитель проекта, доктор биологических наук, заведующий кафедрой общей биологии и генетики Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского Владимир Оберёмок, указал, что защитная внеклеточная ДНК по происхождению связана с хлоропластами. Последовательности этой ДНК взяты из хлоропластной ДНК, которая отвечает за фотосинтез. По словам Владимира Оберёмка, можно предположить, что при появлении вредителя растение жертвует хлоропластами, расщепляет их генетический материал на короткие защитные ДНК и таким образом защищает листья от повреждения.

Проведённое исследование позволило не только найти природную основу лабораторно созданной технологии, но и дало дополнительный средство для получения новых безопасных инсектицидов. Используя последовательности защитных ДНК смолосемянника, специалисты смогут быстрее разработать ДНК‑препараты с повышенной эффективностью.

Авторы исследовнаия отмечают, что разрабатываемый ДНК‑инсектицид нацелен на связывание с рибосомной РНК вредителей, так как она составляет 80–85 процентов всей РНК клетки и служит удобной мишенью. У каждого организма есть свои уникальные последовательности рибосомной РНК, поэтому, используя их как мишени, можно разрабатывать избирательные препараты.