Науковці розкрили генетичний механізм смердючого захисту дикого імбиру

Дослідники з Японії розкрили дивовижний механізм виживання дикого імбиру (Asarum), який використовує неприємний запах як стратегію запилення. Ця непримітна на вигляд рослина з оксамитовими червоними пелюстками приховує неочікувану таємницю — вона навмисно виділяє сильний сірчаний сморід, що нагадує гниле м'ясо, неприємний подих та брудні шкарпетки.

Команда еволюційних біологів під керівництвом Юдая Окуями з Національного музею природи та науки в Токіо встановила точний генетичний механізм, завдяки якому рослина створює цей відразливий запах. На відміну від більшості квітів, які приваблюють запилювачів — бджіл, метеликів та птахів — солодким нектаром та приємними ароматами, Asarum обрав інший шлях еволюції, заснований на обмані.

Квіти цієї рослини не просто пахнуть як розкладена плоть — вони відтворюють її запах з хімічною точністю. Це робиться для приваблення специфічних запилювачів — падальних мух, які зазвичай відкладають яйця в рештки тварин. Коли такі мухи натрапляють на квітку Asarum, вони потрапляють в пастку обману — повзають всередині, вкриваються пилком і відлітають, несвідомо виконуючи роль запилювачів.

Головною сполукою, що відповідає за цей запах, є диметилдисульфід (DMDS). Цей газ настільки їдкий, що може викликати блювотний рефлекс навіть при концентрації в кілька частин на мільярд. Саме цю речовину ми відчуваємо, коли псується їжа або коли хтось страждає від сильного неприємного подиху.

Хоча вченим було давно відомо про використання DMDS деякими рослинами, японська команда дослідників вперше простежила походження цього запаху до його генетичних коренів. Вони виявили конкретні амінокислоти, які відповідають за створення цієї «фабрики смороду». Ключовим виявилося надзвичайне перетворення: ген, який зазвичай видаляє неприємні хімічні речовини, зазнав невеликої мутації і почав їх виробляти.

Щоб зрозуміти це перетворення, науковці спочатку зосередилися на амінокислоті метіонін. Метіонін та DMDS пов'язані через їхню роль у метаболізмі сірки. Метіонін розкладається до газу метантіолу — сірчистої сполуки із запахом тухлих яєць. У людському організмі ця хімічна речовина швидко знешкоджується, частково завдяки білку, відомому як селен-зв'язуючий білок 1 (SBP1), який запобігає появі неприємного запаху.

Однак у деяких видів Asarum SBP1 змінився. Модифікована версія, яку команда Окуями назвала дисульфід-синтазою (DSS), більше не нейтралізує метантіол. Натомість вона об'єднує дві молекули метантіолу, створюючи значно більш смердючий DMDS. Замість запобігання появі неприємного запаху, рослина тепер активно його виробляє.

Цікаво, що для такої трансформації знадобилася заміна лише двох-трьох амінокислот у потрібних місцях. Кількох мутацій виявилося достатньо, щоб перетворити дезодоратор на імітатор запаху смерті.

Більше того, команда виявила подібні гени DSS у двох інших родах рослин: Eurya та Symplocarpus. Ці рослини не є близькими родичами — вони еволюційно далекі одна від одної. Проте вони незалежно розвинули точно такий самий смердючий механізм, що є класичним прикладом конвергентної еволюції.

У природи було багато способів зробити квітку смердючою. Відомий Amorphophallus titanum, також відомий як квітка-труп, випускає запах, який може очистити цілу кімнату. Однак команда Окуями встановила, що ці квіти не використовують той самий фермент DSS. Вони, ймовірно, розвинули свій сморід, використовуючи інший хімічний шлях — все ще на основі сірки, але побудований з іншого молекулярного набору інструментів.

Якщо смердюча версія SBP1 виникла незалежно принаймні тричі у абсолютно різних родинах рослин, це свідчить про її ефективність. Кожного разу модифікований фермент допомагав рослині приваблювати мух шляхом виробництва DMDS. Проте ця стратегія також є ризикованою. Лише в межах роду Asarum команда підрахувала, що виробництво DMDS еволюціонувало та втрачалося понад 18 разів.

Це, ймовірно, відбувалося тому, що в деяких середовищах запилення мухами ледве окупається. Коли щось змінюється, воно перестає бути вигідним. Коли конкуренція за бджіл та метеликів жорстка, обман мух неприємним запахом може бути розумним ходом. Але коли бджіл достатньо, це втрачає сенс.

Розуміння DMDS може мати значення далеко за межами земних лісів та квітників. Це також одна з сірковмісних молекул, які астрономи шукають в атмосферах інших планет. У 2023 році космічний телескоп Джеймса Вебба виявив сполуки, подібні до DMDS, в атмосфері K2−18b — потенційно придатної для життя екзопланети. Наявність таких молекул може бути біосигнатурою — натяком на існування життя деінде.

Таким чином, той самий сморід, який приваблює мух до несправжнього м'яса, може допомогти нам виявити життя за межами нашої Сонячної системи. Результати дослідження були опубліковані в журналі Science.