Эволюция зловония: как цветы научились пахнуть падалью

Рис. 1. Копытень (Asarum simile; слева вверху), эврия японская (Eurya japonica; слева внизу) и связноплодник почколистный (Symplocarpus renifolius; справа) независимо приобрели способность имитировать запах разлагающейся органики благодаря активности фермента дисульфидсинтазы. Растения идут на такие ухищрения, чтобы привлекать сапрофильных опылителей. Фото из популярного синопсиса к обсуждаемой статье

Некоторые растения привлекают мух и других насекомых-падальщиков, подражая запаху гниющей органики. Делают они это с помощью летучих серосодержащих соединений, таких как диметилдисульфид. В статье в журнале Science ученые раскрывают, как разные виды растений независимо приобрели способность синтезировать эти зловонные молекулы для привлечения сапрофильных опылителей. Авторы описывают молекулярный механизм, позволивший растениям добавить запах падали в свой химический словарь. Оказалось, что для этого достаточно всего трех аминокислотных замен в одном древнем ферменте. Простота молекулярного перехода, наряду с дупликацией и неофункционализацией уже имеющегося консервативного фермента, могут объяснить, почему способность производить диметилдисульфид возникала у цветков с запахом падали неоднократно и независимо в разных эволюционных линиях.

Растения и насекомые сосуществуют уже миллионы лет, и их взаимодействие стало движущей силой множества эволюционных изменений. Особенно важную роль в этом сыграла эволюция цветков — репродуктивных органов покрытосеменных растений. Помимо визуальных и структурных приспособлений, цветки развили способность производить сложные смеси летучих соединений, позволяющие растениям «общаться» с насекомыми, часто передавая им специфические сигналы. Эти ароматы могут либо соблазнять насекомых посещать репродуктивные органы растения (тем самым повышая шансы на успешное опыление), либо отпугивать нежелательных гостей. В ходе эволюции растения подстраивали молекулярный состав своих ароматов под конкретную «аудиторию» насекомых.

Среди множества стратегий обмана и привлечения насекомых особое место занимает мимикрия цветков под падаль или экскременты (см. Зловонные цветы). Такие цветки копируют внешний вид и запах разлагающейся органики, чтобы привлечь сапрофильных насекомых (рис. 1). Это пример стратегического обмана: насекомые, питающиеся разлагающейся органикой, обманываются и посещают такие цветки, тем самым невольно опыляя их, что позволяет растениям использовать поведение насекомых в своих интересах, не предлагая ничего взамен. Яркими примерами такой стратегии являются раффлезия (Rafflesia arnoldii) и аморфофаллус (Amorphophallus titanum) — обладатели крупнейшего цветка и соцветия, соответственно (см. картинку дня Огромный, теплый и вонючий).

Один из ключевых элементов этого обмана — характерный зловонный запах, вызванный присутствием олигосульфидов — летучих соединений серы. Растения родов Aristolochia, Rafflesia и Asarum используют в своих ароматах именно такие вещества. Олигосульфиды, как, например, диметилдисульфид (DMDS), имитируют запах падали, что делает цветок особенно привлекательным для насекомых-падальщиков. Олигосульфиды используются не только сапрофильными насекомыми, но и многими другими животными, включая человека. Эти вещества служат универсальными химическими маркерами: с их помощью одни организмы находят пригодную пищу, а другие — избегают испорченной или разлагающейся органики.

У растений олигосульфиды образуются в результате расщепления аминокислоты метионина. Ключевым промежуточным соединением в этом процессе является метантиол — бесцветный токсичный газ с сильным неприятным запахом. Он даже применяется в качестве одорирующей добавки к природному газу, чтобы можно было обнаружить аварийные утечки газа по запаху. Интересно, что метантиол вырабатывается и в организме человека благодаря микробной активности во рту и кишечнике. При недостаточной гигиене полости рта метантиол может накапливаться и вызывать галитоз — неприятный запах изо рта. В некоторых случаях, например при определенных заболеваниях, включая отдельные виды рака, нарушается клеточный обмен веществ, и метантиол скапливается в организме, вызывая так называемый внеоральный галитоз — неприятный запах, не связанный с ротовой полостью.

Рис. 2. A — некоторые цветы с помощью олигосульфидов мимикрируют под падаль или экскременты. Б — откалиброванное по времени филогенетическое дерево 30 образцов 26 видов рода Asarum. Справа указано содержание диметилдисульфида (DMDS) в цветках (синий — отсутствует, красный — высокое содержание) и уровни экспрессии генов MGL и SBP (серый цвет — низкий уровень экспрессии, желтый — высокий) для каждого образца. В — филогенетически скорректированные графики корреляции между уровнями экспрессии генов (по горизонтальной оси; MGL — слева, SBP — справа) и уровнем эмиссии диметилдисульфида (по вертикальной оси). Г — предполагаемые биосинтетические пути образования метантиола и его окисленных производных (диметилдисульфида, диметилтрисульфида и сероводорода) у растений на сегодняшний день. Из аминокислоты метионина с помощью фермента MGL образуется метантиол. Далее метантиол либо превращается в зловонные соединения DMDS и DMTS (возможно, через автоокисление), либо разрушается ферментом MTOX до сероводорода, формальдегида и перекиси водорода. Рисунки из обсуждаемой статьи в Science

У растений, как и у человека, метантиол может самопроизвольно окисляться с образованием олигосульфидов (рис. 2, Г), таких как диметилдисульфид — это соединение с особенно выраженным запахом. Хотя в общих чертах известно, как образуются эти вещества, генетические и физиологические механизмы, позволяющие растениям выделять олигосульфиды, долгое время оставались неясными.

Этой теме посвящена новая статья, опубликованная в журнале Science. Авторы изучили цветки растений рода Asarum (копытень), относящегося к семейству кирказоновых (Aristolochiaceae). Представители этой группы отличаются поразительным разнообразием форм, размеров, окраски и, главное, запахов цветков — особенности, предположительно связанные с привлечением разных групп опылителей путем мимикрии под места откладки яиц насекомыми. Из довольно большого числа видов, составляющих этот род, в средней полосе России расспространен только один вид — Asarum europaeum (копытень европейский), цветки которого имеют слабый запах ванили и опыляются самостоятельно, без участия насекомых. После цветения семена распространяются с помощью муравьев: они поедают мясистые придатки семян (элайосомы). Наибольшее видовое разнообразие копытней наблюдается в Юго-Восточной Азии, и именно там имеется широкий спектр запахов и стратегий опыления.

Обзор представителей рода показал, что способность к выделению олигосульфидов существенно варьирует между разными видами Asarum. Например, Asarum fudsinoi, привлекающий сапрофильных мух и являющийся типичным примером цветков, имитирующих падаль или помет, выделяет аромат, преимущественно содержащий диметилдисульфид. Напротив, такие виды, как A. asaroides и A. costatum, опыляемые микофильными мухами и другими наземными членистоногими, выделяют летучие вещества, состоящие в основном из алифатических соединений, бензеноидов и/или терпенов, с малым или вовсе отсутствующим содержанием олигосульфидов. В общем, у копытней можно наблюдать удивительное разнообразие «ароматических стратегий», каждая из которых направлена на привлечение определенной группы опылителей. Это делает род Asarum ценным объектом для изучения эволюции цветочной мимикрии и химической коммуникации между растениями и насекомыми.

Чтобы охарактеризовать общие эволюционные сдвиги у восточноазиатских копытней (Asarum, секция Heterotropa), приводящие к появлению или утрате олигосульфидов в цветочном аромате, исследователи проанализировали состав летучих веществ у 53 видов и 8 разновидностей — это охватывает около 85% всего видового разнообразия этой линии. Далее они нанесли данные о наличии или отсутствии диметилдисульфида в аромате на филогенетическое дерево рода Asarum (рис. 2, Б). Результаты показали, что способность выделять диметилдисульфид неоднократно приобреталась или утрачивалась (более 18 раз) в эволюционной истории Asarum. При этом большинство видов восточноазиатского Asarum возникли относительно недавно — менее 7 миллионов лет назад.

Как уже говорилось выше, у растений и грибов олигосульфиды образуются в результате самопроизвольного окисления метантиола — нестабильного промежуточного соединения, которое возникает при расщеплении метионина под действием фермента метионин-γ-лиазы (MGL; рис. 2, Г). Чтобы выяснить, действительно ли растения Asarum используют метионин как «сырье» для производства этих веществ, ученые провели эксперимент с использованием изотопных меток: цветки кормили раствором L-метионина, в молекуле которого один из атомов углерода был заменен на тяжелый стабильный изотоп ¹³C. Этот прием позволяет отследить путь вещества внутри растения. Всего через час после введения меченого метионина цветки начали выделять диметилдисульфид и диметилтрисульфид с увеличенной молекулярной массой. Значит, тяжелый изотоп углерода из меченого метионина вошел в  состав этих соединений. Таким образом было экспериментально подтверждено, что Asarum действительно использует метионин для синтеза олигосульфидов.

Дальнейший анализ показал, что основным источником летучих веществ в цветке являются ткани чашелистика. При добавлении к экстрактам из чашелистиков метионина происходило его превращение в диметилдисульфид. Причем это ферментативное превращение наблюдалось только у видов Asarum, которые естественным образом выделяют диметилдисульфид.

Далее авторы провели сравнительный анализ транскриптомов разных видов Asarum, чтобы выяснить, какие гены могут быть связаны с производством зловонных олигосульфидов. В исследование вошли 30 образцов, представляющих 26 видов, различающихся по уровню выделения диметилдисульфида (рис. 2, Б). Ученые составили список генов, уровень экспрессии которых в цветках сильно коррелировал с интенсивностью запаха диметилдисульфида. Среди этих генов особое внимание привлекли MGL и гены, кодирующие белки, связывающие селен (SBP).

Ген MGL кодирует фермент, запускающий расщепление метионина с образованием метантиола. Исследование показало, что MGL особенно активно экспрессируется в тканях чашелистика у тех видов, которые действительно выделяют диметилдисульфид (рис. 2, Б, В). Это подтверждает гипотезу, что фермент MGL играет важную роль в синтезе зловонных веществ у Asarum. Однако ферментативные тесты с MGL показали, что данный фермент действительно превращает метионин в метантиол, но производит лишь незначительное количество диметилдисульфида. Это говорит о том, что MGL — необходимый, но не единственный участник процесса: он дает исходный материал, но сам диметилдисульфид образуется на следующем этапе (рис. 2, Г).

Более того, цветки Asarum, выделяющие диметилдисульфид, практически не содержат метантиола — либо его совсем нет, либо он обнаруживается в крайне малых количествах. Это противоречит прежнему предположению, что диметилдисульфид образуется в тканях просто в результате самопроизвольного окисления метантиола. В действительности, даже грубый белковый экстракт из чашелистика Asarum способен синтезировать диметилдисульфид напрямую из метионина, что указывает на наличие специализированного фермента, ответственного за это.

Таким образом, исследование подтвердило ключевую роль фермента MGL в запуске синтеза зловонных соединений, но также показало, что без второго компонента — фермента, превращающего метантиол в диметилдисульфид, — процесс остается незавершенным. Этим вторым компонентом выступают определенные варианты белков SBP.

Межвидовой транскриптомный анализ цветков Asarum выявил высокую корреляцию между количеством диметилдисульфида, выделяемого цветками, и уровнем экспрессии гена SBP (см. рис. 2). У человека один из таких белков — SELENBP1 — выполняет функцию метантиолоксидазы (MTOX) и превращает метантиол в перекись водорода, сероводород и формальдегид. Мутации в SELENBP1 приводят к накоплению метантиола и появлению запаха капусты изо рта. Хотя гены, кодирующие метантиолоксидазы (MTOX), сильно консервативны у наземных растений, их функция в растительном царстве до сих пор была не ясна.

Исследователи обратили внимание, что у Asarum имеется несколько генов SBP, которые можно разделить на три основные группы. Чтобы выяснить, участвует ли какая-либо из них в образовании DMDS, авторы экспрессировали соответствующие белки в кишечной палочке (Escherichia coli) и проверяли их ферментативную активность с метантиолом в качестве субстрата. Они обнаружили, что белки одной из этих групп, названной SBP1, способны превращать метантиол в диметилдисульфид. Таким образом, SBP1 не выполняет классическую реакцию метантиолоксидазы (превращение метантиола в формальдегид, сероводород и перекись водорода), а вместо этого полимеризует метантиол в диметилдисульфид.

Как же белок SBP1 приобрел новую химическую активность, отличающуюся от его исходной функции — окисления метантиола? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые провели филогенетический анализ и реконструировали предполагаемую аминокислотную последовательность предкового фермента — метантиолоксидазы (MTOX). Анализ показал, что ферментативная активность MTOX, позволяющая расщеплять метантиол, широко распространена и чрезвычайно консервативна: ее сохраняют практически все наземные растения, а также животные и бактерии. У всех исследованных видов, независимо от рода, обязательно находились версии гена SBP, обладающие этой функцией. Это говорит о том, что активность MTOX — древняя и важная функция, которая, по-видимому, сохраняется на протяжении всей эволюции жизни.

Однако среди 12 исследованных родов растений у трех — Asarum, Symplocarpus и Eurya — были обнаружены особые версии белка SBP с совершенно иной функцией: они превращают метантиол не в сероводород, а в диметилдисульфид. Авторы определили, что для такого функционального перехода от MTOX к SBP1 достаточно всего трех аминокислотных замен. Что особенно интересно: такие белки возникли у каждого из этих родов независимо, но по одному и тому же эволюционному сценарию. В каждом случае новая ферментативная функция появилась после дупликации исходного гена SBP, кодирующего обычную MTOX-форму, и дальнейших изменений в одной из копий.

Это классический пример неофункционализации — процесса, при котором дублированный ген освобождается от «обязанностей» исходной функции и получает возможность эволюционировать в новую сторону. При этом одна копия сохраняет исходную активность, а другая — приобретает новую, потенциально полезную (см. новость Эволюционные последствия генных дупликаций удалось оценить количественно, «Элементы», 13.02.2017). В случае с Asarum и другими растениями, выделяющими олигосульфиды, эта новая функция обеспечивает прямое экологическое преимущество. Благодаря запаху диметилдисульфида такие растения могут эффективно привлекать определенных насекомых-опылителей, осваивая новые экологические ниши.

Цветочная мимикрия часто включает в себя целый комплекс адаптивных признаков, необычных для большинства цветковых растений. Результаты обсуждаемого исследования показывают, что пути, ведущие к появлению таких признаков, как, например, выделение диметилдисульфида, — одного из ключевых компонентов запаха «падали», — генетически ограничены. Это означает, что эволюция может «выбирать» лишь определенные молекулярные решения, как это наблюдается и в случае некоторых других адаптивных признаков у растений и животных (см. новость Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006).

Примечательно, что для появления способности синтезировать диметилдисульфид достаточно всего двух–трех аминокислотных замен в одном белке. Именно такая «простота» объясняет, почему мимикрия под запах падали на основе олигосульфидов независимо возникала у разных групп растений. В то же время другие формы мимикрии (например, половая), как правило, эволюционируют только в пределах узких таксономических групп (таких как орхидеи).

Источники:
1) Yudai Okuyama, Kenji Fukushima, Satoshi Kakishima, Anna K. Valchanova, Kohei Takenaka Takano, Yasuko Ito-Inaba, Takeru Nakazato, Atsushi J. Nagano. Convergent acquisition of disulfide-forming enzymes in malodorous flowers // Science. 2025. DOI: 10.1126/science.adu8988.
2) Lorenzo Caputi, Sarah E. O’Connor. Flowers with bad breath // Science. 2025.

Елена Устинова