Метаболизм стеринов в модельных и реальных эколого-генетических системах

Еще раз о пищевых сетях, которые в природе типичны, и пищевых цепях, которые представляют собой редкий частный случай “простых” взаимоотношений вида-продуцента и вида-потребителя. Тем не менее, именно эти примеры позволяют конструировать модельные эколого-генетические системы для эксперимента и решения практических задач.

Взаимоотношения членистоногих (потребителей) и тех растений и животных (продуцентов), на которых они живут (кормятся) представляют собой яркий пример пищевой цепи, в которой персонифицированы метаболические пути. Это касается, прежде всего, метаболизма стеринов. Так, экдизон – гормон линьки необходим для нормального метаморфоза и полового воспроизведения членистоногих. Членистоногие, в частности насекомые не могут синтезировать непосредственные предшественники экдизона – холестерин, эргостерин и некоторые близкие к ним соединения – производные циклопентанопергидрофенантренов. Их синтезируют высшие растения, грибы и животные, включая человека. Это пример метаболической модификации, являющейся непременным условием развития целого типа - членистоногих (самого многочисленного) беспозвоночных животных. Некоторые паразитические грибы также утратили способность к синтезу этих соединений, например фитофтора.

Пример пищевой специализации – Drosophila pahei, которая может жить только на одном виде кактусов-цереусов в пустыне Сонора (Мексика). Эта муха утилизирует только стерины этого кактуса, на других видах кактусов она не живет, и другие виды дрозофилы не живут на этом кактусе.

На модельной системе дрожжи-дрозофила показано в работе Е.М.Лучниковой и др., что некоторые мутанты по биосинтезу стеринов у дрожжей, отобранные как устойчивые к полиеновому антибиотику нистатину, блокируют развитие мухи, если на среду с этими мутантами отложены яйца. В то же время, если взрослых мух-самок кормить этими мутантными дрожжами, то они (мухи) становятся стерильными.

Так была разработана модельная эколого-генетическая система «Дрожжи-дрозофила», в которой виды: продуцент (дрожжи-сахаромицеты) и потребитель (дрозофила) связаны последовательными этапами метаболизма стеринов. При этом развитие потребителя облигатно зависит от тех модификаций, которые в нем вызывает продуцент.

Изменение стеринового метаболизма вида-продуцента в этой модельной системе показало влияние на частоту доминантных леталей, индуцированных рентгеном, а также изменение спонтанного кроссинговера в разных участках хромосом дрозофилы – вида-потребителя. Потому и лисички не червивеют. В них при нормальных условиях не развиваются личинки грибного комарика и дрозофилы, поскольку лисички не содержат стеринов, доступных для членистоногих.

Отсюда – идея борьбы с насекомыми и грибами-вредителями сельского хозяйства. Получение мутантов по стериновому метаболизму у табака, картофеля, томатов и проверка их пищевой ценности в системе растения-дрозофила подтвердило перспективность такого подхода. Аналогично - получение томатов, устойчивых к фитофторе (Phitophtora infestans). Есть патент. Отбор ведется в культуре растительных клеток с последующей регенерацией целых растений. Важно обойти пути синтеза стероидных гормонов растений и тем самым сохранить их способность к половому размножению.

Плюсы и минусы такого подхода. Уходим от химических загрязнителей окружающей среды и контролируем популяцию вредителя в нужном месте и в нужное время. Возможные экологические проблемы как следствие культивирования и потребления таких мутантов человеком.