Папоротники могут стать источником белков, полезных для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, и способствовать созданию новых мощных инсектицидов.
С конца 1930-х годов белки, выделенные из почвенной бактерии Bacillus thuringensis (Bt), стали применяться для борьбы с насекомыми-вредителями. Эти белки, известные под названием Cry-токсины, начинают действовать после контакта с кишечными ферментами насекомого, они нарушают работу его пищеварительной системы и в итоге приводят к гибели. К тому же Cry-токсины безопасны для человека и других млекопитающих и не вредят окружающей среде. Сначала этими веществами опрыскивали растения. Но затем ученые внедрили гены Cry-токсинов в геном сельскохозяйственных культур. В 2019 году в мире посадки Bt-растений заняли более 100 миллионов гектаров. Одни лишь Bt-кукуруза и Bt-хлопок, предотвратив потери урожая, сэкономили производителям более 50 миллиардов долларов за первые два десятилетия их использования. Попутно это позволило сократить использование фосфорорганических инсектицидов и других токсичных химикатов.
Одако со временем насекомые приобретают устойчивость к токсинам, поэтому ученые вынуждены постоянно искать новые токсины группы Cry. Энтомолог из Университета Аризоны Брюс Табашник (Bruce Tabashnik) проанализировал данные за 25 лет о кукурузе, сахарном тростнике, хлопке, сое и других Bt-культурах из семи стран и обнаружил признаки того, что популяции одиннадцати видов вредителей развили значительную устойчивость к токсинам. Число случаев устойчивости выросло с трех в 2005 году до 26 в 2020 году, сообщили Брюс Табашник и его коллеги в апреле в статье, которую опубликовал Journal of Economic Entomology.
«Это вызывает большую обеспокоенность, — говорит биохимик Мэрилин Андерсон (Marilyn Anderson) из Университета Ла Троба в Мельбурне. — Мы не хотим возвращаться к интенсивному использованию химических инсектицидов». Она входит в группу ученых, рассматривающих в качестве альтернативы бактериальным токсинам белки папоротников. Многолетний опыт показывает, что многие папоротники не повреждаются растительноядными насекомыми. В 1990-е годы уже ставились эксперименты по опрыскиванию посевов экстрактами папоротника, но результаты оказались неоднозначными, поэтому идея применять папоротники как источники инсектицидов не получила развития. В 2016 году исследователи из Индии ввели в хлопок ген папоротника из рода Tectaria для борьбы с вредителем из семейства белокрылок.
Ген папоротника защитил растения от белокрылки и других насекомых, сосущих соки растений, теперь же команда исследователей нашла в папоротниках другие гены, которые должны дать защиту от насекомых, поедающих листья. Американская агрохимическая компания Cortiva Agriscience, производящая гибридные и генетически модифицированные семена и средства защиты растений, проводит опыты с растениями кукурузы, получившими один из таких генов. Гусеницы, которые охотно едят листья растений из контрольной группы, избегают листьев модифицированной кукурузы. В 2019 году исследователи компании обнаружили также, что гены белков, взятые у папоротника из рода адиантум (Adiantum), могут защищать сою от гусениц золотистой двупятнистой совки (Chrysodeixis includens) и еще одной бабочки (Anticarsia gemmatalis).
В новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, описывается еще один инсектицидный белок, полученный из папоротника, который называется птерис критский (Pteris cretica). Родина этого вида — Средиземноморье, но он широко выращивается по всему миру как декоративное растение. В субтропиках и тропиках птерис критский растет в открытом грунте, в остальном мире — в оранжереях и просто в горшках на подоконниках. В лабораторных экспериментах экстракты папоротника сдерживали золотистую двупятнистую совку и американскую кукурузную совку (Helicoverpa zea). Исследователи обнаружили, что у дальних родственников птериса критского тоже есть варианты этого белка, что указывает на то, что он возник на ранней стадии эволюции папоротников, около 300 миллионов лет назад. Ученые назвали эту группу белков IPD113.
Участвовавшие в исследовании биолог Меган Махер (Megan Maher) из Мельбурнского университета и ее коллеги определили структуру одно из вариантов белка. Они обнаружили, что он похож на белки Bt за исключением того, что у него всего две основные активные части, тогда как у белков Bt их три. Исследователи полагают, что белки папоротника, также как Cry-токсины, нарушают работу кишечника насекомых. «Есть надежда, что новые белки папоротника могут стать "инсектицидами Златовласки" — достаточно похожими на Bt, чтобы быть безопасными и эффективными, но достаточно отличающимися, чтобы убивать насекомых, у которых возникла устойчивость к Bt», — говорит Брюс Табашник.
Когда команда Corteva Agriscience перенесла гены наиболее эффективных версий IPD113 в кукурузу, повреждение листьев от основных вредителей, таких как кукурузная листовая совка (Spodoptera frugiperda) и американская кукурузная совка, снизилось до максимум 30 % по сравнению с более чем 50 % у немодифицированной кукурузы. Белки папоротника были эффективны против штаммов насекомых, устойчивых к белкам Bt.
