Табачный кнут и пряник

Брачные игры различных видов животных конечной целью имеют лишь оплодотворение яйцеклетки мужскими гаметами, и сколь бы причудливым не казался нам тот или иной брачный ритуал, техническая сторона вопроса довольно проста. Иногда самцам и вовсе не надо ничего делать – только смелости набраться.

В отличие от мобильных животных, не способные передвигаться растения вынуждены обмениваться генетическим материалом на больших расстояниях. В этом им часто помогают животные-опылители – насекомые, птицы и грызуны – буквально на себе перетаскивающие пыльцу от одной особи к другой. Все необычные формы, краски и запахи цветов, которыми мы так любим наслаждаться, созданы природой именно для привлечения опылителей, которым в награду за работу часто достается нектар. Однако далеко не все любители нектара годятся для выполнения ответственной миссии опыления, а некоторые и вовсе опасны, так как могут полакомиться самим цветком.

Ученые из Института химической биологии германского Общества имени Макса Планка в Йене обнаружили, что

растения умеют очень гибко управлять химическим составом своих ароматических веществ и нектара и таким образом оптимизировать режим опыления растений.

В статье, вышедшей в последнем номере Science, исследователи под руководством Йэна Болдуина описали полевые эксперименты, поставленные на генетически модифицированных видах дикого табака Nicotiana attenuata. Им удалось обнаружить, что определенные химические компоненты, отвечающие за благоухание цветка, помогают привлечь опылителей. В то же время горечь и даже ядовитые компоненты, содержащиеся в нектаре, не позволяют вредителям и неопыляющим видам употреблять нектар, а опылителям слишком увлекаться его употреблением, задерживаясь на одном и том же цветке в то время, когда можно было бы нести его пыльцу на другое растение.

В качестве привлекающего опылителей агента выступает ароматическое соединение 4-фенил-2-бутанон, также известное как бензилацетон. А роль отпугивающего химиката, как несложно догадаться, у дикого табака играет никотин.

Прежде уже было известно, что некоторые виды опылителей дикого табака, такие как колибри и гусеницы-бражники, очень сильно реагируют на содержание никотина в нектаре табака. Для того, чтобы лучше изучить взаимодействие растение–опылитель, исследователи создали дополнительно четыре линии генетически модифицированного табака. Одна из линий получила так называемую слепую копию трансгенного фрагмента ДНК, не влияющего на выделение химических компонентов нектара и ароматизаторов, а две другие оказались способны выделять только никотин или только сладко пахнущий бензилацетон. Четвертая трансгенная линия была лишена и никотина, и натурального ароматизатора. После того, как ученые убедились в отсутствии влияния таких генетических модификаций на остальную физиологию растения, они приступили к экспериментам.

Первые же наблюдения показали, что растения с подавленным синтезом никотина обладали в среднем в два раза меньшим объемом нектара по сравнению с контрольной линией. Это указывает на то, что опылители гораздо чаще и дольше наслаждались сладким нектаром безникотиновых цветков. Однако таким образом безникотиновый нектар стал легко доступен и для неопыляющих видов – гусениц и шмелей, которые, поглощая нектар, снижали опылительную способность цветков. Отсутствие бензилацетона в ароматном сочетании цветков снижало заинтересованность опылителей и неопыляющих видов в нектаре практически до нуля.

Наличие же никотина в нектаре наряду с бензилацетоном в ароматной композиции привлекало опылителей, но ненадолго, заставляя их посещать большее количество цветков по сравнению с безникотиновыми растениями.

Кроме того, ученые смогли определить, какая из линий дикого табака оказалась наиболее эффективна в опылении. Удалив несозревшие пестики цветков, ученые смогли применить ДНК анализ пыльцы, попавшей в женский репродуктивный орган.

Оказалось, что растения с естественным соотношением никотина и бензилацетона в пять раз более эффективны в опылении, чем трансгенная линия, не способная к выделению ни того, ни другого химического компонента.

Итак, парадоксальным образом с помощью химических веществ N.attenuata удается привлекать опылителей, но оставаться для них не слишком привлекательными, чтобы заставить посетить и соседние цветки в поисках нектара.

Казалось бы, никотин здесь функционирует в качестве фильтра, отсеивающего от посетителей табачных цветков вредоносные виды животных и управляющего поведением опылителей. Однако если бы именно такой сценарий опыления был задуман природой, птички колибри, являющиеся основными опылителями табачных цветков, должны были бы проявлять толерантность к никотину. Как показывает опыт – толерантность эта очень мала, а потому никотин для табака является скорее даже не фильтром, отсеивающим вредителей, а некоторой заслонкой, практически полностью перекрывающей возможность перекрестного опыления, оставляя её скорее запасным вариантом развития популяции.

Зачем табаку N.attenuata, способному к самоопылению, такой репродуктивный черный ход, становится понятно при изучении истории эволюции этого растения.

Дело в том, что эволюция N.attenuata проходила в засушливых пустынных районах, где часто случаются пожары, способные полностью уничтожить молодое поколение растений. В таких условиях непредсказуемого развития даже небольшое перекрестное опыление позволяет N.attenuata распространить свои гены по обширной территории с разными климатическими условиями и тем самым сохранить жизнь популяции.

Очень тонко подстроив химический аппарат, табак способен распространяться по засушливым безжизненным территориям, практически не встречая вредителей.