Китайские учёные из Университета Гуйчжоу составили полный каталог генов, которые отвечают за выработку лекарственных веществ в орхидее Dendrobium nobile. Это растение – один из ценнейших компонентов традиционной китайской медицины, известный как Шиху. Исследование открывает путь к селекции более продуктивных сортов орхидеи и к биотехнологическому синтезу её активных соединений.
Исследователи идентифицировали 242 гена из семейства цитохромов P450. Эти ферменты управляют сложными химическими реакциями в растениях, синтезируя гормоны, пигменты и защитные токсины. Учёные установили, что отдельная группа этих генов в орхидее отвечает за производство сесквитерпеновых алкалоидов пикротоксанового типа – соединений с доказанной фармакологической ценностью. До сих пор генетические механизмы их биосинтеза оставались неизученными.
Анализ генома показал, что гены сгруппированы в нескольких участках хромосом, а не распределены случайно. Такая структура – результат многократных дупликаций в ходе эволюции. Одна из подгрупп генов, CYP71K, оказалась уникальной для орхидей, причём у Dendrobium nobile их больше, чем у родственных видов. Это позволяет предположить, что именно они лежат в основе специфических химических свойств всего семейства.
Самые важные выводы удалось сделать, сопоставив расположение генов с их активностью в разных тканях растения. Экспрессия пяти генов на 15-й хромосоме менялась синхронно с активностью других ферментов, участвующих в синтезе алкалоидов. Это является весомым косвенным доказательством их функциональной связи.
Кроме того, эксперименты показали, что эти же гены активируются в ответ на стрессовые условия – засуху и резкие перепады температур. Вероятно, вырабатываемые с их помощью вещества не только обладают лечебными свойствами, но и помогают растению выживать в неблагоприятной среде.
Результаты исследования имеют прямое практическое применение. Селекционеры получают генетические маркеры для отбора орхидей с повышенным содержанием алкалоидов и устойчивостью к стрессу. Биоинженеры – список ферментов-кандидатов, которые потенциально можно использовать для производства ценных соединений в промышленных масштабах с помощью микроорганизмов. Авторы работы подчёркивают, что функции каждого гена-кандидата предстоит подтвердить в ходе дальнейших биохимических экспериментов.