трихомы что это такое
Трихомы
Трихо́мы, или волоски́ (от греч. τρίχωμα — волос) — клетки эпидермы, образующие на органах растений разнообразные наружные выросты. К ним относятся — волоски (железистые и нежелезистые), чешуйки, желёзки, нектарники и некоторые другие образования.
Трихомы следует отличать от эмергенцев — межклеточных выростов, в образованиях которых участвует не только эпидерма, но и субэпидермальные ткани.
Всё многообразие трихом делят на два функциональных типа: кроющие и железистые.
Первые образуются из покровных тканей и служат для защиты растения от неблагоприятного воздействия внешней среды, вторые — принадлежат к выделительным тканям наружной секреции и участвуют процессах накопления и выделения веществ различного функционального назначения.
Трихомы бывают одноклеточными и многоклеточными, мертвыми и живыми. Мертвые — заполнены воздухом и придают растению белый цвет. Форма трихом может быть разнообразной (головчатые, звездчатые, крючковатые и др.). Часто трихомы минерализованы — пропитаны кремнеземом и кальцием.
Размеры трихом варьируются в значительных пределах. Чаще отдельный волосок, чешуйка или желёзка хорошо различимы в сильную лупу или микроскоп. Наиболее длинные трихомы (до 5-6 см) покрывают семена хлопчатника.
Волосками чаще всего покрыты растения аридных — засушливых областей, высокогорий, приполярных районов земного шара, а также растения засорённых местообитаний.
Содержание
Кроющие трихомы
Из одноклеточных трихом наиболее простое строение имеют сосочки, или папиллы, представляющие собой невысокие, но широкие выросты эпидермальных клеток. Обилие папилл создаёт бархатистую поверхность органа. Они часто встречаются на лепестках (например, у люпина, фиалки) и хорошо удерживают пыльцу.
Нитевидные волоски, как и папиллы, — выросты эпидермальных клеток, но более длинные. Особенно длинные волоски (50-60 мм и более) развиваются на семенах хлопчатника.
Многоклеточный волосок, как правило, отделён стенкой от образовавшей его клетки эпидермы. Простой волосок представляет собой однорядную многоклеточную нить (сенполия). У некоторых видов ястребинки развиваются многорядные волоски. Наряду с простыми, широко распространены ветвистые волоски, которые могут быть перистыми (коровяк), звездчатыми (икотник), или чешуйки (облепиха).
Перистый волосок имеет многоклеточную главную ось, от которой в местах сочленения клеток отходят боковые «веточки».
Чешуйки называют также пельтатными волосками (от лат. peltatus — дисковидный, щитовидный). Они состоят из многоклеточной пластинки и короткой ножки, у некоторых волосков ножек нет.
Функция кроющих волосков в течение их жизни меняется. Самые молодые волоски, образующиеся до формирования устьичного аппарата, имеющие тонкую оболочку и слабо развитую кутикулу, живые и обычно активно транспируют. После того, как эта функция переходит к устьицам, оболочки волосков и кутикула утолщаются, а протопласты в большинстве случаев отмирают, полости клеток заполняются воздухом. Дифференцированные волоски практически не транспируют. Более того, густое опушение из кроющих трихом значительно снижает транспирацию, так как предотвращает конвекционные движения воздуха у поверхности растения. Такие волоски, составляющие светлый покров на поверхности органа, отражая солнечные лучи, защищают растение от перегрева и потери влаги. По времени это обычно совпадает с окончанием роста несущего волоски органа. С возрастом часть волосков опадает.
Не у всех растений кроющие волоски омертвевают. У сенполии (узамбарской фиалки), например, их протопласты содержат хлорофилловые зёрна и сохраняются в течение всей жизни листа.
Морфологические разнообразие кроющих трихом очень разнообразно, что позволяет использовать этот фактор для целей систематики, а в фармации для микроскопической диагностики лекарственных растений.
Железистые трихомы
Железистые волоски состоят из одно- или многоклеточной ножки и более или менее шаровидной головки, которая также может быть одно- и многоклеточной.
Клетки головки синтезируют эфирные масла, которые проходят через наружную стенку клетки и скапливаются под кутикулой, приподнимая её. При накоплении очень большого количества эфирного масла кутикула, не выдержав его давления, разрывается, масло выходит наружу. Обычно при этом клетки отмирают, лишь в редких случаях кутикула регенерирует. У красавки конечная клетка волоска отпадает вследствие ослизнения стенки, соединяющей её с клеткой ножки.
У пеларгонии, например, железитстый волосок состоит из многоклеточной ножки и одноклеточной головки, которая выделяет эфирные масла в пространство между целюллозной оболочкой и кутикулой. При разрыве кутикулы экскрект изливается наружу, после чего может образоваться новая кутикула и накапливаться новая капля экскрета.
Из одноклеточных к железистым волоскам близки жгучие волоски крапивы (часто их также относят к кроющим волоскам). Волосок представляет собой ретортообразную клетку, расширенная часть которой погружена в цоколь субэпидермальных тканей. В связи с этим волоски нередко считают эмергенцами. Верхняя, свободная, постепенно сужающаяся к концу часть волоска имеет толстую кремневую стенку. На самом её конце находится тонкостенная, легко отламывающая при соприкосновении с кожей маленькая головка. Волосок вонзается в кожу, изливая содержащуюся в ретортообразной клетке богатую гистаминами и ацетилхолином жидкость, вызывающую ощущение ожога. Ожоги от волосков некоторых тропических крапив могут привести к летальному исходу.
Многоклеточные волоски обычно головчатые. Такой волосок имеет одноклеточную или многоклеточную, иногда довольно длинную ножку, заканчивающуюся головкой, представляющей собой одну почти шаровидную клетку или группу клеток, покрытых кутикулой (сенполия, лопух паутинистый, марь белая). Железистые волоски с многоклеточной головкой называют желёзками.
Солевыделяющие галофиты (некоторые виды лебеды, марь белая) адаптируются к избыточным концентрациям солей при помощи механизма освобождения от поступающих солей за счёт выделения ионов против градиента концентрации. Таким образом они поддерживают концентрацию натрия и хлора в цитозоле на низком уровне. У этих растений поглощённые соли с транспирационным током доставляются сначала по сосудам, а потом по симпласту в живые пузыревидные клетки — трихомы, имеющиеся в эпидерме стеблей и листьев. В пузыревидной клетке ионы секретируются в крупную центральную вакуоль. Когда солей становится много, трихомы лопаются, и соль выходит на поверхность листа или стебля в виде мучнистого налёта. На месте лопнувших образуются новые клетки. Поскольку от мезофилла до пузыревидных клеток имеется значительный градиент концентрации солей, перенос ионов в их вакуоли является активным процессом, то есть требующим затраты энергии.
Иногда наружные желёзки имеют вид щитка на ножке (например, пельтатаные желёзки у смородины).
Нектарники имеют разнообразное и сложное строение. Они формируются различными частями цветка — чашелистиками, лепестками, стенкой завязи или цветоножкой. Кроме того нектарники образуются на вегетативных органах, в этом случае они называются нецветковыми нектарниками. Нектарники имеют трубчатую, лепестковидную форму или развиваются в виде мясистых железистых разрастаний. Выделительные клетки нектарников имеют густую цитоплазму и высокую активность обмена веществ. К нектарнику может подходить проводящий пучек (бархатцы). Выделяемый нектарниками сахаристый сок привлекает насекомых и птиц, которые опыляют цветки. Этот сок содержит водный раствор сахаров, белков, спиртов и ароматических веществ.
Опушение растений
Строение волосков, степень их развития, особенности расположения на органах создают разные типы опушения, представляющие собой важные морфологические признаки растений. Бархатистое опушение обусловлено папиллами, шелковистое — прямыми, тонкими, прижатыми к поверхности волосками, мохнатое — извилистыми волосками, не имеющими определенной ориентации. Густые, обычно перистые волоски, составляют войлочное опушение, а более или менее короткие простые волоски, отстоящие от поверхности — шерстистое. Для щетинистого опушения характерны толстостенные, твёрдые волоски, а для реснитчатого — волоски, расположенные по краю органа.
Опушение может состоять из волосков одного или разных типов. Оно бывает равномерным или неравномерным. Верхняя и нижняя стороны листовой пластинки часто различаются степенью опушенности, нередко волоски развиваются только вдоль жилок или в местах их разветвления; на стеблях некоторых растений волоски располагаются продольными рядами.
Трихонодоз
Заболевание, которое характеризуется узловатостью волос, называется трихонодозом. Как правило, оно встречается на голове (где поражаются отдельные волосяные стержни), однако может также затрагивать другие участки (например, область бороды).
Невооруженным глазом можно рассмотреть лишь небольшие узелки, при этом во время наблюдения под микроскопом или с лупой заметными становятся петли (фактически это участки продольного расщепления кутикулы), в которых застревают различные микрочастицы, что впоследствии приводит к скоплению микроорганизмов и загрязнений.
Этот фактор усиливает опасность заболевания. Кроме того, пораженные волоски характеризуются ломкостью, а значит, существенно увеличивается риск их потери.
Причины трихонодоза
Нарушение возникает вследствие травмирования волос, как правило, во время неаккуратного причесывания или расчесывания кожи ногтями при зуде (который, в свою очередь может возникать из-за аллергической реакции, а также каких-либо других дерматологических заболеваний). В частности, нередко данная проблема является следствием педикулеза, во время которого пациент активно чешет кожу головы.
Наиболее часто нарушение наблюдается на коротких и сухих вьющихся волосах. Кроме того, вероятность появления заболевания усиливается при частом окрашивании, регулярном использовании обезжиривающих моющих средств. Также имеются доводы в пользу наследственной предрасположенности к трихонодозу.
Лечение трихонодоза волос
Лечение заболевания, как правило, заключается в следующих мерах:
Также пациенту даются рекомендации по правильному бережному уходу за шевелюрой. Кроме того, важно выяснить, что именно привело к развитию трихонодоза: ведь в случае, если повреждение волос продолжится, узелки будут появляться вновь и вновь. Именно поэтому требуется диагностика причин появления проблемы и, по ее результатам, соответствующее лечение.
Заболевание, которое характеризуется узловатостью волос, называется трихонодозом. Как правило, оно встречается на голове (где поражаются отдельные волосяные стержни), однако может также затрагивать другие участки (например, область бороды).
Невооруженным глазом можно рассмотреть лишь небольшие узелки, при этом во время наблюдения под микроскопом или с лупой заметными становятся петли (фактически это участки продольного расщепления кутикулы), в которых застревают различные микрочастицы, что впоследствии приводит к скоплению микроорганизмов и загрязнений.
Этот фактор усиливает опасность заболевания. Кроме того, пораженные волоски характеризуются ломкостью, а значит, существенно увеличивается риск их потери.
Причины трихонодоза
Нарушение возникает вследствие травмирования волос, как правило, во время неаккуратного причесывания или расчесывания кожи ногтями при зуде (который, в свою очередь может возникать из-за аллергической реакции, а также каких-либо других дерматологических заболеваний). В частности, нередко данная проблема является следствием педикулеза, во время которого пациент активно чешет кожу головы.
Наиболее часто нарушение наблюдается на коротких и сухих вьющихся волосах. Кроме того, вероятность появления заболевания усиливается при частом окрашивании, регулярном использовании обезжиривающих моющих средств. Также имеются доводы в пользу наследственной предрасположенности к трихонодозу.
Лечение трихонодоза волос
Лечение заболевания, как правило, заключается в следующих мерах:
Также пациенту даются рекомендации по правильному бережному уходу за шевелюрой. Кроме того, важно выяснить, что именно привело к развитию трихонодоза: ведь в случае, если повреждение волос продолжится, узелки будут появляться вновь и вновь. Именно поэтому требуется диагностика причин появления проблемы и, по ее результатам, соответствующее лечение.
О чем пахнут растения?
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Запах корицы и яблок — бабушкин пирог, запах хвои и мандаринов — Новый год, сладкий дурман черемухи — весна. Каждый читатель наверняка сможет добавить к этому списку длинный ряд своих собственных ассоциаций. Многообразие растительных ароматов, созданных природой, кажется неисчерпаемым, многие из них абсолютно уникальны. Для обозначения таких веществ, которые не принимают непосредственного участия в росте, развитии и репродукции отдельных клеток, более 200 лет назад был предложен термин «вторичные метаболиты». Несмотря на несколько неуважительное название, вещества эти выполняют важную роль в жизни растения в целом, участвуют во взаимодействии растений друг с другом и с окружающей средой. К настоящему моменту идентифицировано более 100 000 таких веществ, многие из которых являются легколетучими, и люди воспринимают их как запах растения. В этой статье я хочу рассказать о некоторых особенностях пахучих растений, немного о том, как изучают биосинтез летучих вторичных метаболитов, а также о перспективах применения этих знаний на практике.
Конкурс «био/мол/текст»-2017
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».
Растительные ароматы давно и прочно вошли в человеческий обиход. Запахом любая смесь летучих веществ становится только тогда, когда воздействует на органы обоняния. Активно ведут исследования о способе, которым смесь химических веществ передает в мозг сигналы о характере запаха [1], [2], [3]. И хотя тайна запаха открыта еще не полностью, на практике человечество уже давно и широко использует растительные ароматы. Kосметика и парфюмерия, кулинария и бытовая химия эксплуатируют обонятельную способность человека и используют приятные для человеческого носа запахи, чтобы увеличить спрос на свою продукцию. Древние люди приписывали определенным запахам магическую или целебную силу, их использовали шаманы и жрецы. Сегодня ароматерапия из древнего искусства постепенно, но уверенно превращается в науку и внедряется в современную медицину [4]. Вкусовое восприятие пищи у человека на 90% зависит от обоняния [5]. Поэтому растения, обладающие приятным для человека запахом, пользуются спросом, и давно уже стали объектом пристального внимания ученых, которые пытаются разобраться и научиться управлять процессами биосинтеза летучих веществ.
Людям свойственно обращать внимание на аромат цветов, однако молекулы запаха синтезируются клетками, которые могут находиться не только в различных частях цветка и плода, но также и в листьях, корне и стебле. У многих растений из эпителиальных клеток развиваются трихомы — специализированные органы, синтезирующие и секретирующие различные вторичные метаболиты.
Что такое трихомы и какие они бывают
Трихомами (от греческого слова τριχωμα (trichōma) — волос) называют специализированные поверхностные органы или структуры, представляющие собой выступы на поверхности листьев, стеблей и других частей растения.
Большинство людей, в том числе и те, кто никогда не интересовался ботаникой, на самом деле близко знакомы с трихомами, хотя возможно и не подозревают об этом. В самом деле, найдется ли хотя бы один человек, которого никогда в жизни не жалила крапива, или такой, кому никогда не приходилось вытаскивать репейники из волос или шерсти домашних питомцев, или такой, кто никогда не ощущал запаха трав, таких как полынь, мята, базилик или орегано? И всё это — результат взаимодействия человека с трихомами растений.
Структура и внешний вид трихом могут быть весьма разнообразными, однако все они разделяются на две основные группы: несекретирующие (рис. 1а) и секретирующие (рис. 1б).
Рисунок 1а. Схематическое изображение несекретирующих трихом: одноклеточные (а, б) и многоклеточные (в–е).
Рисунок 1б. Схематическое изображение секретирующих трихом: одноклеточные (а) и многоклеточные (б–г). Отдельно в оранжевом круге показаны трихомы крапивы. Их защитный колпачок при прикосновении обламывается и обнажает острый конец стрекательной клетки.
На одних растениях как секретирующие, так и несекретирующие трихомы соседствуют друг с другом, поверхность же других покрыта трихомами только одного типа. Встречаются также трихомы, специфичные для определенных частей растения, например длинные шелковистые волокна, покрывающие семена хлопка — это несекретирующие трихомы.
Несекретирующие трихомы — какие они?
Многообразие форм несекретирующих трихом связано с разнообразием их функций. Вот наиболее характерные варианты таких трихом [6]:
Рисунок 2. Электронная микрофотография плода подмаренника цепкого (а) и увеличенное изображение отдельной трихомы (б). На рисунке б показан отрезок 20 мкм.
Рисунок 3. Электронная микрофотография листьев арабидопсиса (а) и увеличенное изображение отдельной трихомы (б). На рисунке б показан отрезок 50 мкм.
Мини-фабрики по производству запаха
Секретирующие трихомы способны синтезировать большие количества таких метаболитов, которые не синтезируются больше нигде в данном растении. Такие трихомы представляют собой фактически специализированные фабрики по производству вторичных метаболитов, к которым относятся и летучие вещества. Молекулы, которые мы воспринимаем как ароматы пряных трав: базилика, мяты, лаванды, орегано, тимьяна, синтезируются именно в секреторных трихомах, расположенных на стеблях и листьях (рис. 4).
Рисунок 4. Электронные микрофотографии трихом. а и б — Трихомы на поверхности базилика (а — лист, б — чашелистик). в и г — Лист полыни (г — большее увеличение). На листе полыни видны не только секретирующие, но и несекретирующие трихомы — антенны.
Летучие вещества служат самим растениям для привлечения насекомых-опылителей. Многие из них синтезируются в ответ на повреждение растения и токсичны для патогенных бактерий, грибов и других вредителей. Известны также вещества, которые могут подавлять рост соседних растений. В плодах вторичные метаболиты играют роль консервантов и, кроме того, являются сигналом (вкус, цвет, запах) для животных, употребляющих данные плоды в пищу и осуществляющих таким образом распространение семян. Некоторые специфические вещества растения синтезируют в ответ на стресс — например, в условиях засухи или повышенного содержания в почве солей [7].
Чем интересны секретирующие трихомы? Прежде всего тем, что многие вторичные метаболиты, синтезируемые именно трихомами, оказались востребованы человеком (это относится не только к летучим компонентам!). Хотя секретирующие трихомы широко распространены в растительном царстве, на данный момент наиболее активно изучают биохимические процессы, происходящие в трихомах растений из двух семейств: паслёновых (к которым относятся помидоры, перцы, табак, картофель, баклажаны) и яснотковых, или губоцветных (к которым относятся пряные травы, например мята, базилик, розмарин и другие). Этот выбор продиктован не только тем, что эти растения представляют интерес для сельского хозяйства, но и тем, что для трихом паслёновых и губоцветных характерен широкий спектр синтезируемых вторичных метаболитов.
Многоклеточные секретирующие трихомы, которые имеют «ножку» (stalk, см. рисунок 1б б и г), легко собрать с растения и проанализировать их содержимое. Самый простой способ соскрести такие трихомы с поверхности — это заморозить стебли в жидком азоте, а затем сильно потрясти. При этом ножки трихом обламываются, а сами трихомы прилипают к стенкам пробирки. Так можно получить достаточно материала для изучения транскриптома, характерного для трихом, а также проанализировать их биохимический состав. Обычно клетки, из которых состоят трихомы, содержат очень мало или вообще не содержат хлорофилла. Анализ транскриптома трихом показал, что в их клетках активен только биосинтез тех первичных метаболитов, что представляют собой источник энергии и являются предшественниками тех вторичных метаболитов, на биосинтезе которых специализируются данные трихомы и которые чаще всего не синтезируются ни в каких других частях растения [8].
Химический состав запаха
Несмотря на все разнообразие растительных летучих веществ, по биохимическому строению большинство их можно отнести к нескольким основным группам: терпены, фенилпропаноиды/бензеноиды и производные жирных кислот.
Терпены
Терпены являются производными изопрена (C5) и в зависимости от количества изопреновых звеньев подразделяются на С10 моно-, С20 ди- (гиббереллины), C30 три- (прекурсоры стероидов), С15 сескви- и С40 тетратерпены (каротиноиды), а также политерпены, из которых состоит натуральная резина. Всего известно более 55 тыс. терпенов, более половины которых обнаружены в растениях. Не все терпены летучи, и в формировании запаха участвуют, в основном, моно-, ди- и сесквитерпены. Большинство растительных терпенов — вторичные метаболиты, но терпены гиббереллин и абсцизовая кислота — фитогормоны и относятся к первичным метаболитам. Предшественником всех растительных терпенов является изопентенилдифосфат (IPP, или DMAPP), который синтезируется как в цитоплазме, так и в пластидах (рис. 5).
Рисунок 5. Схема биосинтеза терпенов.
Биосинтез различных летучих и нелетучих терпенов весьма характерен для трихом. Летучий монотерпен ментол синтезируется в секретирующих трихомах мяты (Mentha piperita) и придает мяте характерные мятные вкус и аромат. Чешуйчатые трихомы базилика способны синтезировать широкий спектр монотерпенов и сесквитерпенов. Однако в результате селекции базилика некоторые его сорта изменились настолько, что синтезируют всего один-единственный терпен. Лимонный базилик, например, выделяет гераниол, используя в качестве субстрата геранилдифосфат. Эта реакция катализируется гераниолсинтазой — ферментом, который относится к большому семейству моно-, сескви- и дитерпенсинтаз. Образовавшийся гераниол не просто накапливается в трихомах, но подвергается реакции окисления, а затем кетоенольной таутомеризации, в результате чего превращается в нераль. Смесь гераниола и нераля известна под название цитраль, и именно эта смесь придает данной разновидности базилика «лимонный» запах [8].
Фенилпропаноиды
Фенилпропаноиды (включая и бензеноиды) представляют собой производные аминокислоты фенилаланина и часто синтезируются и секретируются теми же трихомами, которые производят терпены. Например, многие виды базилика кроме терпенов синтезируют также летучие фенилпропаноиды хавикол и эвгенол; последний обладает «гвоздичным» запахом.
В трихомах часто находят и производные фенилпропаноидов, которые в результате модификации перестают быть летучими и секретируются на поверхность растения (например, агликоны флавоноидов найдены в трихомах перечной мяты) [8].
Производные жирных кислот
Эти вещества также выделяются секретирующими трихомами помидоров, табака, петунии и других растений семейства паслёновых, что делает стебли и листья этих растений липкими на ощупь и обеспечивает определенную защиту от насекомых-вредителей (именно эти производные жирных кислот летучими не являются!).
В качестве примера летучей молекулы с таким биохимическим строением можно привести монометил-насыщенную изовалериановую кислоту (3-метилбутановая кислота) СН3—CH(СН3)—СН2—СООН, которая содержится в корне валерианы и вместе с другими компонентами отвечает за «валериановый запах» валерианы (но трихом у валерианы нет, так что за синтез вторичных метаболитов у валерианы отвечают другие клетки!)
Как собрать запах?
Для изучения химического состава запаха используют, в основном, различные хроматографические методы. Особенно часто применяют газовую или жидкостную хроматографии в сочетание с масс-спектрометрией.
Если в Древнем Египте для фиксации запаха использовали методы масляной экстракции, то в современном варианте в качестве растворителя используют спирт, хлороформ и некоторые другие органические вещества. Существенным недостатком полученного экстракта является то, что кроме пахучих веществ в него попадают другие соединения, причем в концентрациях, превышающих концентрации летучих веществ в десятки, а иногда и сотни раз. Анализ такой смеси хроматографическими методами — задача весьма трудная.
Чтобы определить состав запаха, хороши методы, позволяющие уловить и сконцентрировать именно легколетучие вещества — так называемый анализ свободного пространства. Так, например, метод твердофазной микроэкстракции (SPME) использует свойство некоторых полимеров поглощать запахи. Тонкий стержень из такого полимерного материала (рис. 6а и 6в) помещают в плотно закрытый сосуд вместе с растением и выдерживают 10–30 мин (желательно помещать в сосуд все растение, поскольку срезание листа или цветка является стрессом, и состав выделяемых веществ может измениться даже за короткое время инкубации). Затем стержень вынимают и помещают в инжектор хроматографической колонки, где нагревают до температуры 200–250 °С. При нагреве адсорбированные полимером молекулы высвобождаются и попадают в колонку, где тем или иным способом подвергаются фракционированию (рис. 6д). Метод этот хорош своей высокой чувствительностью, а также быстротой и простотой использования. Однако есть у него и определенные недостатки: из-за избирательности процесса адсорбции нельзя судить о количествах компонентов в анализируемой смеси; кроме того, на полимер могут адсорбироваться и совсем посторонние молекулы, например те, которые находились в помещении, где проводили анализ [9].
Рисунок 6. Метод твердофазной микроэкстракции. а — SPME-стержень. Разные цвета колпачков — разные полимерные материалы и толщина сердечников. б — Лист табака и формула молекулы гермакрена Д. в — В плотно закрытый сосуд с растительным образцом вставлен SPME-стержень, на который абсорбируются летучие молекулы. д — Результат фракционирования смеси, которая попала в масс-спектрометр с колонки SPME.
Название другого метода переводится с английского как «ловушка» (trapping). Метод заключается в том, что растение или какую-то его часть помещают в закрытый сосуд, через который с помощью насоса медленно прокачивают воздух (рис. 7). Подача воздуха осуществляют через фильтр. Запах адсорбируется на другом фильтре, который находится на выходе из сосуда. Для сбора запаха используют специальные полимеры. После окончания эксперимента полимер промывают растворителем (например гексаном) и таким образом получают «экстракт чистого запаха». Этот метод позволяет судить не только о качественном, но и о количественном составе запаха, а также сравнивать состав запахов, выделяемых одним и тем же растением в различные промежутки времени (например днем и ночью).
Рисунок 7. Так устроена ловушка для сбора запаха арабидопсиса.
Генно-модифицированный запах — настоящее и будущее?
Польза и вред генетически модифицированных растений неоднократно обсуждались на «Биомолекуле» [12], [13], [14], [15]. Как наиболее эффективно использовать способность растений синтезировать уникальные вещества, летучие и нелетучие, которые, хотя и названы вторичными метаболитами, во многих случаях способны исполнять ведущую партию в пьесе о будущем человечества?
Человек модифицирует растения с тех самых пор, как впервые начал их культивировать. В сельском хозяйстве с незапамятных времен используют отбор и селекцию для выведения сортов с определенными свойствами. Однако зачастую улучшение коммерческих качеств плодов (размер, равномерное созревание, привлекательный цвет) или цветов (удлинение времени жизни при срезании) приводит к ухудшению вкуса и потере естественного запаха, что отрицательно сказывается на количестве потребителей.
Ухудшение вкуса и аромата поступающих на потребительский рынок помидоров оказалось настолько коммерчески важной проблемой, что на ее изучение было выделено весьма значительное финансирование. Ученые из семи научных лабораторий Америки, Китая и Израиля объединились для исследования причин, по которым в процессе селекции томатов значительно изменился их «профиль пахучих веществ». Провели сравнительный геномный анализ почти 400 различных сортов помидоров, а также их диких предков, и параллельно выявили химические компоненты, которые ассоциировались у людей с наиболее привлекательным запахом и вкусом. В результате этого широкомасштабного исследования появился список мутаций, меняющих вкус и запах помидоров. Из них около 20 достойны пристального внимания, и могут стать целями приложения селекционных усилий для создания ароматных и сладких помидоров [16], [17].
У многих декоративных цветов в процессе селекции пропал характерный для них аромат. Например, садовые розы (Rosa hybrida) обладают приятным запахом, химический состав которого включает весь спектр растительных летучих веществ: терпены, фенилпропаноиды и производные жирных кислот. Однако, большинство сортов, предназначенных для срезания и долго сохраняющие свежесть в виде букетов в вазе, практически утратили классический «розовый аромат». К сожалению, в этом случае розам повезло значительно меньше, чем помидорам, и для них не существует программы полного секвенирования генома, а также отсутствуют надежные методы трансформации, что значительно осложняет любые направленные манипуляции с геномом. В результате частичного секвенирования транскриптома роз удалось идентифицировать некоторое количество генов, кодирующих ферменты биосинтеза летучих веществ [18], [19]. Тем не менее до недавнего времени не было понятно, например, как именно в розах происходит биосинтез гераниола и других монотерпенов, которые представляют собой основную составляющую характерного для роз аромата, и только в 2015 году удалось проследить путь биосинтеза гераниола у роз [20]. Так что мечта о возвращении розам их чудесного запаха [9] до сих пор не осуществилась на практике, да и вообще трансгенных роз существует совсем мало (известна трансгенная голубая роза, в которую удалось вставить ген фиалки, ответственный за биосинтез дефинидина — антоцианина, придающего цветкам синий или фиолетовый цвет [21]).
Известны примеры успешного воздействия на состав запаха одних растений с использованием генов других растений. Сверхэкспрессия клубничной линалоол/неридолсинтазы в пластидах трансгенного арабидопсиса, позволила получить растение, выделяющее большое количество линалоола и таким образом отпугивающее вредителей архид (Mysus persicae) [11]. При избыточной экспрессии в петунии гена, клонированного из роз — ацетилтрансферазы (фермента, преобразующего спирт в ацетат), — изменилось содержание летучих ацетатов, выделяемых трансформированными растениями [22]. Существуют и случаи несколько непредвиденных превращений летучих молекул, при трансформации растений генами из растений с другим «молекулярным контекстом». Монотерпен линалоол образуется из изопрена под действием фермента линалоолмонотерпенсинтазы и является одним из важных компонентов запаха. Внедрение в геном петунии гена линалоолмонотерпенсинтазы из кларкии (Clarkia) не привело к изменению содержания линалоола, выделяемого трансгенным растением. Оказалось, что линалоол в петунии образуется, но претерпевает реакцию гликозилирования, а гликозилированный линалоол не является летучим [23]. В запахе гвоздики, трансформированной тем же геном, количество линалоола повысилось и составило 10% от общего количества выделяемых летучих веществ [24]. То же произошло и с геном сесквитерпенсинтазы гермакрена Д, клонированным из роз и трансформированным в петунию. В цветках петунии дикого типа присутствует природный гермакрен Д, что подтверждает наличие необходимого субстрата. Однако у трансформированных растений не обнаружили значимого увеличения концентрации выделяемого гермакрена Д [18].
Манипуляции с запахом могут послужить не только для непосредственного удовольствия человека в виде вкусных помидоров и ароматных цветов. Защиту сельскохозяйственных растений от вредителей можно будет в будущем поручить растениям со специально подобранным запахом. В ответ на появление вредителей некоторые растения выделяют смесь различных веществ, которая может состоять из более чем 200 различных компонентов. Эти вещества могут отравлять, отпугивать и сдерживать насекомых-вредителей, а также привлекать энтомофагов (насекомых, которые уничтожают вредителей). Эти данные позволяют надеяться, что воздействуя на спектр летучих соединений культивируемых растений, можно повысить их устойчивость к вредителям без использования дорогостоящих и экологически вредных пестицидов. Причем, вероятно, нет необходимости вводить гены, отвечающие за синтез молекул-реппелентов во всю популяцию культивируемых растений, поскольку именно при участии летучих молекул между растениями осуществляется передача информации, и появление защитных веществ у части растений вызывает соответствующий защитный ответ у соседних с ними особей (рис. 8) [7].
Рисунок 8. Воображаемое поле с растительными «маяками». Несколько трансгенных растений, спроектированных для непрерывного синтеза и выброса защитных сигналов, могут воздействовать на своих нетрансгенных соседей и тем самым увеличивать их способность противостоять атакующим травоядным животным и вредителям.
Но пока такие поля возможны только в мечтах. Из вышеприведенных примеров становится понятно, что воздействовать направленным образом на спектр выделяемых растением летучих веществ не так-то просто. Биосинтез каждого компонента запаха — многоступенчатый процесс, осуществляемый различными ферментами. И даже если удается добиться сверхэкспрессии генов, ответственных за выработку определенного летучего вещества, дальнейшая судьба каждой новой молекулы будет полностью зависеть от общего биохимического контекста растения-реципиента: вместо того, чтобы стать новым летучим компонентом запаха, она может стать субстратом для дальнейших превращений, потерять свою «летучесть» и превратиться во что-то совершенно другое.
Растения начинают и. выигрывают
В заключение хотелось бы привести один весьма показательный, на мой взгляд, пример, как растения «переиграли» микроорганизмы в борьбе за рынок сырья для фармацевтической промышленности.
В 2015 году половина Нобелевской премии по физиологии и медицине была присуждена китайской исследовательнице Юю Ту за разработку лекарства против малярии [25]. Работу по поиску веществ растительного происхождения, обладающих антималярийной активностью провели в Китае еще в 70-х годах 20 века, а к началу 21 века это вещество уже активно использовали для производства лекарственных препаратов против малярии. Вещество это — вторичный метаболит сесквитерпен артемизинин, синтезируется в трихомах растения Artemisia annua, которое является близким родственником нашей полыни. Уже к 2005 году стало понятно, что спрос на лекарства против малярии постоянно увеличивается, но при этом цена его должна оставаться стабильно низкой, поскольку низок и уровень жизни в тех странах, где оно наиболее необходимо. А значит, требуется бесперебойное обеспечение дешевым сырьем фармацевтических фабрик по производству этих препаратов. Казалось бы, наиболее экономически выгодным является синтетическоe и полусинтетическоe производство веществ в трансгенных микроорганизмах. Однако дальнейшее развитие событий доказало, что это не всегда так.
В 2010 году широко рекламировали «один из самых успешных проектов по применению метаболической инженерии — получение артемизинина — наиболее сильного противомалярийного средства» под руководством Джея Кислинга [26]. К 2013 году с использованием самых передовых методов синтетической биологии удалось довести производство артемизиновой кислоты до фантастически высокого значения — 20 г на литр культуры, после чего проект взял под контроль известный фармацевтический гигант Sanofi-Aventis. В проект вложили огромное количество средств. А в результате оказалось, что, несмотря на все усилия, стоимость синтетического артемизинина значительно превышает стоимость его растительного аналога, и в настоящий момент весь необходимый на рынке антималярийный препарат производят на основе растительного артемизинина [27], [28].
Использование растений в качестве биофабрик различных белковых продуктов уже упоминали в статье на «Биомолекуле» [29]. Похоже, что не менее перспективным станет и применение растений для эффективного и экологически безопасного синтеза целого ряда уникальных и полезных для людей веществ, которые называют «вторичными метаболитами растений».
Первая версия этой статьи опубликована в журнале «Биология» [9].