Красивые папоротники, украшающие наши дома, обладают удивительной силой. Биологи давно знали, что эта древняя группа растений отгоняет голодных насекомых лучше, чем другие виды флоры, и теперь они пытаются понять, почему. Ученые обнаружили белки папоротника, которые убивают и отпугивают вредителей, в том числе тот, который обещает стать основой для борьбы с насекомыми, устойчивыми к широко используемым природным пестицидам.

Обнаруженный белок, описанный недавно в «Трудах» Национальной академии наук (PNAS), пополнил растущий арсенал, который однажды может стать новой альтернативой химическим инсектицидам.

С конца 1930-х годов белки, выделенные из почвенной бактерии Bacillus thuringensis (Bt), стали основой естественной борьбы с вредителями. Сначала их использовали в качестве инсектицидного спрея, но совсем недавно ученые внедрили гены этих белков в сельскохозяйственные культуры. В 2019 году фермеры по всему миру посадили более 100 миллионов гектаров этих трансгенных растений.

По данным американской агрохимической компании Corteva Agriscience, только трансгенная кукуруза и хлопок сэкономили производителям более 50 миллиардов долларов от потери урожая за первые два десятилетия их использования. Борьба с вредителями Bt также принесла пользу окружающей среде, сократив использование фосфорорганических инсектицидов и других токсичных химикатов.

Однако, возможно, это решение работает сегодня не так хорошо, как раньше. Когда Брюс Табашник, энтомолог из Университета Аризоны, проанализировал данные за 25 лет о кукурузе, сахарном тростнике, хлопке, соевых бобах и других Bt-культурах из семи стран, он обнаружил признаки того, что популяции одиннадцати видов вредителей развили значительную устойчивость к белкам. Число случаев сопротивления выросло с трех в 2005 году до 26 в 2020 году, сообщили он и его коллеги в апреле в «Журнале экономической энтомологии». Эта тенденция продолжается, говорит Хурат-Фуэнтес. Табашник обнаружил еще 17 случаев, когда вредители приобретали устойчивость.

«Это вызывает большую обеспокоенность, – пояснила Мэрилин Андерсон из Университета Ла Троб. – Мы не хотим возвращаться к интенсивному использованию химических инсектицидов». Биохимикесса входит в небольшую группу ученых, рассматривающих белки папоротника в качестве альтернативы. В дикой природе эти древние растения, появившиеся задолго до того, как растения, которые сейчас используются в качестве сельскохозяйственных культур, часто кажутся неподверженными насекомым.

В 1990-х годах исследователи опрыскивали посевы экстрактами папоротника, но результаты оказались неоднозначными. До этого папоротникам и другим растениям, не дающим семян, не уделялось должного внимания как возможным убийцам насекомых. Затем, в 2016 году, исследователи из Индии ввели в хлопок ген папоротника алебардного (род Tectaria ), надеясь бороться с белокрылкой, высасывающей сок. Поскольку никакие другие природные инсектициды никогда не действовали против этого вредителя, отметил П. К. Сингх, биотехнолог растений из Национального ботанического научно-исследовательского института CSIR, «мы решили изучить неочевидные и несвязанные источники инсектицидной активности».

Ген алебардного папоротника защищал хлопок от белокрылок и других сосущих вредителей, а теперь Сингх выделил из растения другие соединения, которые отпугивают жующих насекомых, таких как гусеницы. Он говорит, что его команда внедрила соответствующие гены в хлопок и увидела очень «интересные» и «многообещающие» результаты полевых исследований.

Доказательства того, что папоротники могут содержать полезные инсектициды, также появились в результате сотрудничества Corteva и компании Hexima. Восемь лет команда Мэрилин Андерсон исследовала 10 000 австралийских растений, тестируя экстракты против насекомых-вредителей в лаборатории и подвергая их воздействию пищеварительных ферментов, чтобы определить, разрушаются ли они в кишечнике человека и, следовательно, их можно безопасно использовать на сельскохозяйственных культурах. Тем временем в Corteva проверяли растения из Северной Америки и других стран. По словам Андерсон, обе команды искали белки с новым механизмом, которые могли бы заменить Bt.

В 2019 году Corteva сообщила, что гены белков, обнаруженные в папоротниках адиантии, могут защитить соевые бобы от гусениц соевой петлицы и бархатных бобов, и с тех пор обе группы сосредоточили свое внимание на папоротниках. «С тех пор мы обнаружили несколько семейств инсектицидных белков из этих растений», – говорится в заявлении компании. Однако подчеркивается, что ученые еще не знают точно, как работают эти белки.

В недавней статье PNAS группа, в которую входят Андерсон и ученые Corteva, сообщается о новейшем потенциальном оружии против вредителей – белке Pteris cretica, иногда называемом критским папоротником, ленточным папоротником или столовым папоротником, который является распространенным комнатным растением, произрастающим в Европе, Азии и Африке. В лаборатории экстракты папоротника задержали рост соевой петлицы и кукурузного жука. Исследователи обнаружили, что у дальних родственников папоротника есть варианты этого белка, что указывает на то, что он возник на ранней стадии эволюции папоротника, около 300 миллионов лет назад. Эту группу белков назвали IPD113.

Соавторка исследования Меган Махер из Мельбурнского университета и ее коллеги раскрыли структуру одного варианта. Они обнаружили, что он похож на белки Bt, используемые в качестве инсектицидов, за исключением того, что у него всего две основные активные части, тогда как у белков Bt их три. Белки Bt действуют, прокалывая кишечник насекомого. Исследователи полагают, что белки папоротника тоже это делают, но поскольку в белках папоротника отсутствует активная часть, которую белки Bt используют для связывания рецепторов на клеточных мембранах, белки папоротника могут связывать разные рецепторы.

«Есть надежда, что новые белки папоротника могут стать инсектицидами Златовласки – достаточно похожими на Bt, чтобы быть безопасными и эффективными, но достаточно разными, чтобы убивать насекомых, у которых развилась устойчивость к Bt», – пояснил говорит Табашник.

Когда команда Corteva перенесла гены наиболее эффективных версий IPD113 в кукурузу, повреждение листьев от основных вредителей, таких как совка и кукурузная совка, снизилось максимум до 30% по сравнению с более чем 50% у немодифицированной кукурузы. Белки папоротника также действовали против штаммов насекомых, устойчивых к белкам Bt.

Эти успехи, вероятно, привлекут интерес со стороны других исследовательских групп, рассказал Георг Джандер, химик-эколог из Института Бойса Томпсона. Он считает, что другие компании незаметно создают еще более широкую сеть поиска новых инсектицидных белков. Джандер, например, изучает защитные соединения примитивных растений, называемых печеночниками, а Сепчич оценивает соединения, полученные из грибов, которые убивают насекомых по другому механизму. Вместо того, чтобы связывать белковые рецепторы на клеточной мембране, как это делают белки папоротника, они связывают липиды, из которых состоят мембраны. Поскольку эти липиды сохраняются на протяжении всей жизни, Сепчич считает, насекомым нелегко выработать устойчивость.

Если такие соединения окажутся эффективными против Bt-резистентных вредителей, белки некоторых из самых ранних наземных организмов могут помочь обеспечить будущее продовольственной безопасности.