Экологические взаимодействия влияют на биологическую активность лекарственных растений

Jun 19, 2023

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12165 (2023) Цитировать эту статью

240 доступов

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Эфирные масла, вырабатываемые лекарственными растениями, обладают важными биоактивными свойствами (антибактериальными, антиоксидантными), имеющими высокую ценность для человеческого общества. Опыление и травоядность могут изменить химическую защиту растений и, следовательно, повлиять на биологическую активность эфирных масел. Однако влияние экологических взаимодействий на биоактивность растений еще не оценено. Мы проверили гипотезу о том, что перекрестное опыление и имитация травоядности изменяют химический состав эфирных масел, улучшая биоактивные свойства лекарственного растения Lepechinia floribunda (Lamiaceae). С помощью контролируемых экспериментов мы показали, что эфирные масла из потомства ауткроссированных растений имели более высокое относительное содержание оксигенированных терпенов и почти вдвое увеличивали бактериостатический эффект на Staphylococcus aureus по сравнению с инбредным потомством (т.е. потомством, полученным в отсутствие опылителей). Травоядность отрицательно и положительно повлияла на производство редких соединений у инбредных и ауткроссированных растений соответственно, но ее влияние на биологическую активность до сих пор остается неизвестным. Мы впервые показываем, что, обеспечивая перекрестное опыление (косвенную экосистемную услугу), опылители могут улучшить экосистемные услуги, связанные с биологической активностью эфирных масел растений. Подчеркнем важность качественной составляющей опыления (самоопыление, перекрестное); аспект, которым обычно пренебрегают в исследованиях опыления.

Покрытосеменные являются ядром большинства наземных сетей мутуалистических и антагонистических взаимодействий1. Многие виды покрытосеменных устанавливают мутуалистические взаимодействия с микоризными грибами и опылителями, что позволяет им получать определенные питательные вещества из почвы и осуществлять половое размножение соответственно. Точно так же растения вступают в антагонистические взаимодействия с травоядными и вредными микроорганизмами, что обычно отрицательно влияет на приспособленность растений1. Интересно, что о взаимодействии растений с такими разными организмами, как грибы, бактерии, животные и другие растения, сигнализируют вторичные метаболиты, такие как терпены, которые являются основными компонентами эфирных масел растений1,2,3. Экологические функции терпенов включают защиту от патогенов и травоядных животных, а также аттрактанты и вознаграждение для полезных организмов, таких как микоризные грибы и опылители4,5. Учитывая высокую биоактивность терпенов6, эфирные масла широко использовались людьми в культурных церемониях, а также в качестве лекарственных, фармацевтических, агрономических, косметических и пищевых ресурсов3,7,8,9. Таким образом, эфирные масла растений представляют собой пользу, которую люди получают от природы (экосистемные услуги), а их биологическую активность можно моделировать с помощью экологических взаимодействий. Производство и состав эфирных масел растений сильно различаются из-за внутренних и внешних факторов. По сути, растения могут изменять химический состав и содержание эфирных масел в соответствии с их онтогенетическими и фенологическими стадиями, а также типом органа (цветок, лист), в котором они производятся10. Более того, как внешние абиотические факторы (например, свет, влажность, доступность питательных веществ)2,9, так и биотические факторы (например, мутуалистические и антагонистические взаимодействия) могут влиять на химический профиль растений2,11,12,13.

Травоядность представляет собой антагонистическое взаимодействие, которое обычно считается медвежьей услугой экосистеме, поскольку оно снижает урожайность сельскохозяйственных культур и способствует передаче болезней15. Однако травоядность вызывает изменения в химическом составе растений. Растения производят два типа химической защиты: конститутивная защита вырабатывается постоянно, тогда как индуцируемая защита вырабатывается после механического повреждения и/или повреждения травоядными животными6. Таким образом, после травоядности растения могут производить некоторые индуцируемые группы соединений, которые повышают их защиту от травоядных и патогенов, передаваемых травоядными (индуцибельная защита; например, 16,17). Следовательно, некоторый уровень травоядности может быть полезен для усиления биологической активности эфирных масел против других организмов, таких как насекомые и микробы (биологическая активность). Точно так же качество опыления (т. е. перекрестное или самоопыление) может повлиять на химическую конститутивную и индуцируемую защиту растения, вырабатываемую после травоядности. Влияние качества опыления на химический профиль растений будет зависеть от системы спаривания растений. Действительно, в основном виды растений, полученные путем ауткроссинга и смешанного скрещивания, имеют более высокую вероятность инбридинговой депрессии (более низкую приспособленность) после самоопыления, чем самоопыляющиеся растения. Было показано, что инбредные растения (полученные путем самоопыления) обладают большей травоядностью и более высокой заболеваемостью, чем ауткроссированные растения (полученные путем перекрестного опыления)18,19. Предыдущие химические исследования подтверждают эту идею, поскольку растения, полученные путем самоопыления, имели пониженную экспрессию конститутивной защиты и более низкую способность активировать химическую защиту после повреждения, чем растения, полученные путем ауткроссирования13,20. Примечательно, что у растений, опыляемых животными, перекрестное опыление в основном осуществляется опылителями, тогда как самоопыление может быть осуществимо как с (самоопылением, опосредованным опылителем), так и без опылителей (автономное самоопыление). Таким образом, перекрестное опыление, опосредованное опылителями, может повысить биологическую активность эфирных масел. Более того, оба взаимодействия – опыление и травоядность – могут оказывать синергетический эффект на биоактивность растений.