Семейство мятных, также известное как губоцветные, представляет собой разнообразную группу трав, которые широко используются в кулинарии, лекарственных и декоративных целях. Семейство насчитывает более 7000 видов, включая популярные травы, такие как базилик, розмарин, тимьян, мята и шалфей.
Семейство мятных трав, включающее шалфей, розмарин, базилик и даже древесные растения, такие как тик, обеспечивает стимулирующее воздействие на наше обоняние и вкус.
Исследователи из Мичиганского государственного университета обнаружили, что эволюция этих растений разнообразила их особые природные характеристики за счет эволюции их химического состава, открывая возможность будущего использования в таких областях, как медицина и производство пестицидов.
«Люди легко узнают членов семейства мятных по их специализированным метаболитам», — сказал Бьорн Хамбергер, доцент, и Джеймс К. Биллман-младший, доктор медицинских наук, профессор Колледжа естественных наук. «Метаболиты — эффективный способ защиты растений, потому что они не могут убежать».
Изучение терпеноидов
С 2016 года Хамбергер изучает специализированные метаболиты растений, называемые терпеноидами, которые необходимы для защиты растений от хищников и патогенов, а также являются распространенными ингредиентами экологически чистых агрохимикатов, антиоксидантов, косметики и ароматизаторов.
Хамбергер работал с Робином Бьюэллом, бывшим исследователем геномики МГУ, ныне работающим в Университете Джорджии, который секвенировал геномы нескольких растений мяты. Это сотрудничество с командой Бьюэлла привело аспирантов Хамбергера, Эбигейл Брайсон и Эмили Ланье, к открытию того, как эволюционировали несколько геномов семейства мятных и как эти химические процессы возникли за последние 60–70 миллионов лет.
«На протяжении миллионов лет растения адаптировались и развивались для своих конкретных ниш, в которых они процветают, а это означает, что эти химические вещества разнообразны и явно приспособились к окружающей среде», — сказал Хамбергер. «Итак, мы пытаемся определить и открыть пути к этим специализированным метаболитам, которые производят растения».
Геномная организация биосинтеза терпеноидов
Используя междисциплинарный подход, Брайсон определил геномную организацию биосинтеза терпеноидов, а Ланье проанализировал химические пути. Вместе Ланье и Брайсон обнаружили кое-что очень необычное в геноме бьютиберри из семейства мятных. Он имеет большой биосинтетический кластер генов.
BGC представляет собой группу генов, расположенных близко друг к другу в геноме и участвующих в одних и тех же метаболических путях. Эти гены подобны отдельным жемчужинам на ожерелье — разделены и все же связаны. Кроме того, Брайсон и Ланье обнаружили варианты этого BGC у шести других видов семейства мятных.
- «Мы узнаем, что физическое расположение генов в геноме важно», — сказал Брайсон. «Он может стимулировать эволюцию специализированных метаболических путей в растении, что приводит к огромному разнообразию интересных природных растительных соединений».
BGC хорошо известны в бактериальном мире, но их роль в растениях до конца не изучена. Кластер BGC растения beautyberry содержит гены, кодирующие два различных пути терпеноидов. Команда обнаружила, что эти терпеноиды накапливаются в различных частях растения, таких как листья и корни, и могут играть разные роли в адаптации.
- «Это одна и та же базовая молекула, но каждый вид создает свою собственную версию и модифицирует ее по-разному, чтобы она соответствовала их потребностям выживания», — сказал Ланье.
Хамбергер описывает его как рецепт, который каждый имеет копию и может изменять в соответствии со своими требованиями и предпочтениями.
Предыдущие исследования привели к уникальному медицинскому применению растений мяты. Например, индийский колеус можно использовать в качестве естественного средства для лечения глаукомы, а техасский шалфей — натуральное противомикробное средство, эффективное против туберкулеза. Новые молекулярные адаптации, которые Хамбергер и его команда обнаружили, открывают двери для будущих применений натуральных растительных продуктов семейства мятных.
- «Наша команда была в восторге от возможностей семьи монетных дворов», — сказал Хамбергер.
- «Эти ферменты мяты, как в американском растении beautyberry, дают нам возможность производить растительные продукты в лаборатории, в том числе — надеюсь, в будущем — натуральные хорошо пахнущие репелленты от комаров».