Лолин алкалоид
Алкалоид лолин является членом группы 1-аминопирролизидинов (часто называемых лолинами ), которые представляют собой биологически активные природные продукты с несколькими различными биологическими и химическими свойствами. Лолины представляют собой инсектицидные и отпугивающие насекомых соединения, которые вырабатываются в травах , зараженных эндофитными грибковыми симбионтами рода Epichloë ( анаморфный вид: Neotyphodium ). Лолины повышают устойчивость трав, инфицированных эндофитами, к травоядным насекомым , а также могут защищать инфицированные растения от стрессов окружающей среды, таких как засуха и пространственная конкуренция. Это алкалоиды , органические соединения, содержащие основные атомы азота. Основная химическая структура лолинов включает насыщенное пирролизидиновое кольцо, первичный амин у углерода C-1 и внутренний эфирный мостик — отличительную особенность лолинов, что редко встречается в органических соединениях — соединяющий два удаленных кольца (C- 2 и С-7) углерода (см. рис. 1). Различные заместители у амина C-1, такие как метильная , формильная и ацетильная группы, дают виды лолина, которые имеют переменные биологическая активность против насекомых. Помимо эндофитно-травяных симбионтов, алкалоиды лолина обнаружены и у некоторых других видов растений ; а именно Adenocarpus виды (семейство Fabaceae ) и Argyreia mollis (семейство Convolvulaceae ).
Открытие
[ редактировать ]Член алкалоидов лолина был впервые выделен из травы Lolium temulentum и его элементный состав определен в 1892 году. Первоначально он был назван темулин , а позже переименован в норлолин . (Отзыв Шардла и др. (2007).) [ 1 ] Исследования 1950-х и 1960-х годов, проведенные российскими исследователями, установили название лолин и выявили характерный 2,7-эфирный мостик в его молекулярной структуре. [ 1 ] С тех пор аналитические методы очистки и анализа лолинов были усовершенствованы, и несколько различных видов лолинов были идентифицированы во многих лолиумах и родственных им травах, зараженных эндофитами Epichloë/Neotyphodium (epichloae). [ 2 ] [ 3 ] Лолины отсутствуют у травяных растений, которые не содержат эндофитов эпихлои, и не все эпихлои производят лолины. [ 1 ] Из-за очень тесной связи растения и эндофита и трудностей с воспроизведением условий симбиоза in vitro долгое время было неизвестно, является ли гриб продуцентом лолинов или они синтезируются растением в ответ на инфекцию эндофита. В 2001 году было продемонстрировано, что эндофит Neotyphodium uncinatum производит лолины в некоторых химически определенных питательных средах . [ 4 ] что позволяет предположить, что эндофит также является продуцентом лолин в травяном растении. Лолины также были обнаружены на некоторых растениях нескольких семейств растений . [ 5 ] [ 6 ] что позволяет предположить более широкое распространение этих соединений в природе.
Механизм действия
[ редактировать ]Лолины обладают инсектицидным действием и отпугивают широкий спектр насекомых, включая виды Hemiptera , Coleoptera , Hymenoptera , Lepidoptera и Blattodea , такие как черемуховая овсяная тля (род Rhopalosiphum ), крупный клоп молочая ( Oncopeltus fasciatus ) и американский таракан ( Periplaneta americana ). [ 1 ] [ 7 ] LC 50 Значения N -формиллолина или N -ацетиллолина из экстрактов семян трав составляют 1-20 мкг/мл для тли и молочая, ухудшают развитие и плодовитость насекомых и вызывают избегание лолин-содержащих тканей травы. [ 7 ] Однако результаты тестов на кормление экстрактами трав иногда трудно интерпретировать из-за присутствия в этих экстрактах других эндофитных алкалоидов. [ 1 ] точные механизмы инсектицидного действия лолинов неизвестны. Лолины могут быть нейротоксичными для насекомых, а различия в химических группах C-1-амина приводят к разным уровням токсичности для насекомых; например, N -формиллолин (см. рис. 2), который в более высоких концентрациях встречается в зараженных эндофитами травянистых растениях, [ 7 ] обладает большей токсичностью для насекомых, чем некоторые другие лолины, которые встречаются в травяных растениях в более низких концентрациях. [ 1 ]
Биологическая активность лолинов демонстрирует некоторую неожиданную изменчивость в зависимости от их концентрации в тканях травы. Например, эндофит овсяницы тростниковой N. coenophialum связан с повышенной устойчивостью к мигрирующей корневой эндопаразитической нематоде Pratylenchus scribneri . В низких концентрациях N -формиллолин служит хемоаттрактантом для P. scribneri , но действует как репеллент в более высоких концентрациях. [ 8 ] Однако алкалоиды спорыньи также оказывают репеллентное и обездвиживающее действие на P. scribneri . [ 8 ] а эндофит многолетнего райграса, лишенный лолинов и генетически модифицированный так, чтобы не производить алкалоидов спорыньи, проявляет устойчивость к этой нематоде. [ 9 ] Таким образом, относительная важность алкалоидов лолина и спорыньи для устойчивости к нематодам остается неясной.
Многие эндофиты epichloae, в том числе N. coenophialum, симбиотические с Lolium arundinaceum (син. Festuca arundinacea , овсяница тростниковая), также производят алкалоиды спорыньи, токсичные для травоядных млекопитающих. Алкалоиды спорыньи встречаются в растении в относительно низких концентрациях, и их часто трудно обнаружить аналитически. Напротив, лолины часто накапливаются в тканях травы в очень высоких концентрациях. [ 1 ] и поэтому первоначально были также связаны с токсичностью для травоядных млекопитающих . [ 10 ] В частности, считалось, что лолины ответственны за токсические симптомы, называемые типчаковым токсикозом, которые проявляются при выпасе скота на травах, зараженных N. coenophialum . [ 10 ] ответственны только алкалоиды спорыньи, продуцируемые эндофитами . Однако впоследствии было показано, что за симптомы токсикоза овсяницы (или летнего синдрома ) [ 11 ] а не лолины, которые даже в высоких дозах оказывают лишь очень незначительное физиологическое воздействие на кормящихся млекопитающих. [ 12 ] Другая группа алкалоидов, алкалоиды сенецио-типа , вырабатываются различными растениями и, как и лолины, алкалоиды сенецио обладают пирролизидиновой кольцевой структурой. Однако, в отличие от лолинов, алкалоиды сенецио проявляют сильную гепатотоксичность . [ 13 ] из-за двойной связи между C-1 и C-2 в их кольцевой структуре. [ 13 ] Эта двойная связь отсутствует у лолинов, что объясняет отсутствие гепатотоксичности этой группы соединений. Было высказано предположение, что лолины подавляют прорастание семян или рост других растений ( аллелопатия ). [ 14 ] и для повышения устойчивости зараженных трав к засухе , но такие эффекты не были подтверждены в более естественных условиях выращивания или в местах обитания. [ 1 ] [ 15 ]
Производство и распространение на травяном заводе
[ редактировать ]Лолины производятся в результате нескольких травяно-эндофитных симбиозов с участием видов epichloae, часто вместе с другими биологически активными метаболитами, включая алкалоиды спорыньи и индольные дитерпеноиды , а также необычный алкалоид пирролопиразина, перамин , который не встречается в других биологических сообществах или организмах. Однако лолины производятся в количествах, которые могут превышать 10 мг/г ткани травы (в диапазоне от 2 до 20 000 мкг/г). [ 1 ] [ 16 ] ), превышая концентрации других эндофитных алкалоидов более чем в 1000 раз. [ 7 ] Лолины, продуцируемые в травах Lolium pratense (син. Festuca pratensis , овсяница луговая) и овсяницы тростниковой, зараженных N. uncinatum и N. coenophialum (см. рис. 3), соответственно, имеют различную концентрацию в тканях травы. [ 2 ] [ 16 ] Более высокие концентрации лолина (100–1000 мкг/г) присутствуют в семенах и молодых тканях листьев, а уровни концентрации лолинов демонстрируют сезонные изменения по всему растению. [ 16 ] Периодическое появление тканей с высокими концентрациями лолина, таких как цветущие стебли и семена, способствует этим сезонным колебаниям. [ 16 ] Концентрации лолина часто увеличиваются в тканях травы, отросших после дефолиации и обрезки растений, что указывает на индуцируемый механизм защитной реакции, в котором участвуют оба симбиотических партнера. Однако это увеличение, по-видимому, связано с более высокими уровнями лолина в молодых листьях по сравнению со старыми листьями. [ 17 ] но также сообщалось об увеличении количества лолина, напоминающем индуцируемую защиту растений. [ 18 ] Изменение концентрации лолина в зависимости от стадии развития конкретных тканей травы. [ 16 ] предполагает регуляцию распределения in plantaloline , обеспечивая большую защиту вновь выращенных или эмбриональных тканей от атак насекомых. [ 1 ] Удивительно, но экзогенное применение растительного сигнального соединения метилжасмоната , которое обычно сигнализирует о хищничестве со стороны насекомых, снижает экспрессию генов лолинов. [ 19 ] Факторы, контролирующие выработку лолина, также различаются среди тканей травы, инфицированных эндофитами: в то время как поставляемые растениями аминокислоты, которые являются предшественниками лолина, ограничивают накопление лолина во многих тканях травы, [ 17 ] их продукция в тканях, несущих внешний рост мицелия для размножения грибов ( стромах ), регулируется экспрессией генов лолина. [ 20 ]
Биосинтез
[ редактировать ]Лолины структурно сходны с пирролизидиновыми алкалоидами, вырабатываемыми многими растениями, особенно с нециновым кольцом, содержащим третичный амин . Это привело к ранней гипотезе о том, что биосинтез лолинов подобен биосинтезу растительных пирролизидинов, которые синтезируются из полиаминов . [ 21 ] Однако исследования по кормлению мечеными изотопом углерода аминокислотами или родственными молекулами в чистых культурах гриба-продуцента лолина N. uncinatum недавно показали, что путь алкалоида лолина фундаментально отличается от пути пирролизидинов растений. [ 1 ] Основная химическая структура аминокислот лолина формируется в несколько стадий биосинтеза из предшественников , L -пролина и L -гомосерина . [ 22 ] На предлагаемом первом этапе биосинтеза лолина эти две аминокислоты соединяются в реакции конденсации, связывающей γ-углерод в гомосерине со вторичным амином в пролине в реакции типа PLP ферментативно-катализируемой с образованием промежуточного соединения лолина, N -( 3-амино-3-карбокси)пропилпролин (НАЦФП). [ 23 ] Считается, что дальнейшие этапы биосинтеза лолина протекают с последовательным катализируемым PLP-ферментом и окислительным декарбоксилированием карбоксильных групп в гомосериновых и пролиновых фрагментах соответственно, циклизацией с образованием основной кольцевой структуры лолина и окислением C-2 и C. -7 атомов углерода, образуя кислородный мостик, охватывающий два пирролизидиновых кольца. [ 1 ] [ 24 ]
Генетические исследования согласуются с путями биосинтеза, установленными в экспериментах по кормлению предшественниками. [ 1 ] Исследования на основе AFLP с использованием скрещивания штаммов эндофита Epichloë festucae , которые различаются по способности производить лолины, показывают, что производство лолинов и защита травы Lolium giganteum от питания тлей Rhopalosiphum padi разделяются по менделевскому принципу. мода. [ 25 ] Наличие единственного локуса продукции лолина было позже подтверждено обнаружением того, что эндофиты эпихлои, продуцирующие лолин, содержат кластер генов ( кластер LOL ) по меньшей мере из одиннадцати генов. [ 20 ] [ 26 ] Гены LOL значительно и скоординированно активируются во время производства алкалоидов лолина. [ 24 ] а экспериментальные генетические тесты, включающие манипулирование выбранными генами LOL посредством РНК-интерференции и нокаута генов, напрямую подтвердили участие двух генов LOL в биосинтезе лолинов. [ 27 ] [ 28 ] Эти тесты и сходство пептидных последовательностей белков, кодируемых этими генами, с известными ферментами указывают на то, что один ген, называемый lolC , вероятно, необходим для первого этапа биосинтеза лолина (конденсация L -пролина и L -гомосерина для образования NACPP). , [ 27 ] и другой ген, LolP , вероятно, кодирующий монооксигеназу цитохрома P450 , для оксигенации одной метильной группы амина C-1 N -метиллолина, который дает наиболее распространенный лолин во многих симбионтах травы и эндофитов, N -формиллолин. [ 28 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Шардл К.Л., Гроссман Р.Б., Нагабхиру П., Фолкнер-младший, Маллик У.П. (2007). «Лолиновые алкалоиды: валюты мутуализма». Фитохимия . 68 (7): 980–996. doi : 10.1016/j.phytochem.2007.01.010 . ПМИД 17346759 .
- ^ Jump up to: а б Йейтс, С.Г.; Петроски, Р.Дж.; Пауэлл Р.Г. (1990). «Анализ лолиновых алкалоидов в овсянице тростниковой, зараженной эндофитами, методом капиллярной газовой хроматографии». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 38 : 182–185. дои : 10.1021/jf00091a040 .
- ^ Сигел, MR; Защелка, ГЦМ.; Буш, LP; Фаннин, ФФ; Роуэн, Д.; Таппер, бакалавр; Бэкон, CW; Джонсон, MC (1990). «Травы, зараженные грибковыми эндофитами: накопление алкалоидов и реакция тли». Журнал химической экологии . 16 (12): 3301–3315. дои : 10.1007/BF00982100 . ПМИД 24263431 . S2CID 12377076 .
- ^ Бланкеншип Дж.Д., Спиринг М.Дж., Уилкинсон Х.Х., Фаннин Ф.Ф., Буш Л.П., Шардл К.Л. (2001). «Продуцирование алкалоидов лолина эндофитом травы Neotyphodium uncinatum в определенных средах». Фитохимия . 58 (3): 395–401. дои : 10.1016/S0031-9422(01)00272-2 . ПМИД 11557071 .
- ^ Тоферн, Б; Калога, М; Витте, Л; Хартманн, Т; Эйх, Э. (1999). «Наличие алкалоидов лолина в Argyreia mollis (Convolvulaceae)». Фитохимия . 51 (8): 1177–1180. дои : 10.1016/S0031-9422(99)00121-1 .
- ^ Вин, Дж; Грейнвальд, Р; Канто, П; Витте, Л; Чиган, ФК (1992). «Алкалоиды сортов Adenocarpus hispanicus (Lam.) DC» . Журнал естественных исследований . 47 (5–6): 341–345. дои : 10.1515/znc-1992-0604 . S2CID 88333079 .
- ^ Jump up to: а б с д Дальман Д.Л., Эйхензер Х., Сигел М.Р. (1991). «Химические перспективы взаимодействия эндофитов и трав и их значение для травоядных насекомых». В Барбоза П., Кришник В.А., Джонс К.Г. (ред.). Микробное опосредование взаимоотношений растений и травоядных . Джон Уайли и сыновья. стр. 227–252. ISBN 0-471-61324-Х .
- ^ Jump up to: а б Басетти А., Снук М., Гленн А., Ноу Дж., Нагабхиру П., Бэкон С. (2009). «Нарушение хемотаксиса у Pratylenchus scribneri экстрактами корней овсяницы тростниковой и алкалоидами» . Журнал химической экологии . 35 (7): 844–850. дои : 10.1007/s10886-009-9657-x . ПМИД 19575265 . S2CID 6435250 .
- ^ Панакчоне Д.Г., Коткон Дж.Б., Шардл К.Л., Джонсон Р.Д., Мортон Дж.Б. (2006). «Алкалоиды спорыньи не необходимы для подавления популяции пораженной нематодой Pratylenchus scribneri, связанной с эндофитными грибами, на райграсе многолетнем». Нематология . 8 (4): 583–590. дои : 10.1163/156854106778614074 .
- ^ Jump up to: а б Джексон, Дж.А.; Хемкен, RW; Болинг, Дж.А.; Хармон, Р.Дж.; Бакнер, Р.К.; Буш, LP (1984). «Алкалоиды лолина в сене и семенах овсяницы высокорослой и их связь с летним токсикозом овсяницы» . Журнал молочной науки . 67 (1): 102–109. doi : 10.3168/jds.s0022-0302(84)81272-2 . ПМИД 6707297 .
- ^ Портер Дж. К., Томпсон Ф. Н. (1992). «Влияние овсяничного токсикоза на воспроизводство сельскохозяйственных животных» . Журнал зоотехники . 70 (5): 1594–1603. дои : 10.2527/1992.7051594x . ПМИД 1526927 . Архивировано из оригинала 6 сентября 2008 г. Проверено 14 мая 2009 г.
- ^ Джексон Дж.А., Варни Д.Р., Петроски Р.Дж., Пауэлл Р.Г., Буш Л.П., Сигел М.Р., Хемкен Р.В., Завос П.М. (1996). «Физиологические реакции крыс, которых кормили лолином и алкалоидами спорыньи из инфицированной эндофитами овсяницы тростниковой». Лекарственная и химическая токсикология . 19 (1–2): 85–96. дои : 10.3109/01480549609002198 . ПМИД 8804555 .
- ^ Jump up to: а б Фу П.П., Ся Ц., Линь Г., Чжоу М.В. (2004). «Пирролизидиновые алкалоиды - генотоксичность, ферменты метаболизма, метаболическая активация и механизмы». Обзоры метаболизма лекарств . 36 (1): 1–55. дои : 10.1081/DMR-120028426 . ПМИД 15072438 . S2CID 13746999 .
- ^ Петроски Р.Дж.; Дорнбос, ДЛ; Пауэлл Р.Г. (1990). «Прорастание и ингибирование роста райграса однолетнего (Lolium multiflorum L.) и люцерны (Medicago sativa L.) алкалоидами лолина и синтетическими производными N-ациллолина». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 38 (8): 1716–1718. дои : 10.1021/jf00098a019 .
- ^ Буш Л.П., Уилкинсон Х.Х., Шардл К.Л. (1997). «Биопротекторные алкалоиды эндофитных симбиозов травяных грибов» . Физиология растений . 114 (1): 1–7. дои : 10.1104/стр.114.1.1 . ПМК 158272 . ПМИД 12223685 .
- ^ Jump up to: а б с д и Юстус, М; Витте, Л; Хартманн, Т. (1997). «Уровни и распределение в тканях алкалоидов лолина в инфицированной эндофитами Festuca pratensis». Фитохимия . 44 : 51–57. дои : 10.1016/S0031-9422(96)00535-3 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, DX; Нагабхиру, П; Шардл КЛ (2009). «Регулирование химической защиты от травоядных, продуцируемых симбиотическими грибами травянистых растений» . Физиология растений . 150 (2): 1072–1082. дои : 10.1104/стр.109.138222 . ПМК 2689992 . ПМИД 19403726 .
- ^ Гонтье, Ти Джей; Салливан, Ти Джей; Браун, КЛ; Вурцель, Б.; Лаваль, Р.; ван ден Овер, К.; Бьюкен, З.; Бультман, Т (2008). «Эндофит, образующий строму, Epichloë gleceriae обеспечивает индуцируемую ранами устойчивость травоядных животных к своему травяному хозяину». Ойкос . 117 (4): 629–633. дои : 10.1111/j.0030-1299.2008.16483.x .
- ^ Саймонс Л., Бультман Т.Л., Салливан Т.Дж. (2008). «Влияние метилжасмоната и эндофитного гриба на устойчивость растений к травоядным насекомым». Журнал химической экологии . 34 (12): 1511–7. дои : 10.1007/s10886-008-9551-y . ПМИД 18925382 . S2CID 7083646 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, DX; Нагабхиру П; Бланкеншип Джей Ди; Шардл КЛ (2010). «Регулируются ли уровни лолиновых алкалоидов в эндофитах травы экспрессией генов или наличием субстрата?» . Сигнализация и поведение растений . 5 (11): 1419–22. дои : 10.4161/psb.5.11.13395 . ПМК 3115243 . ПМИД 21051952 .
- ^ Буш, LP; Фаннин, ФФ; Сигел, MR; Дальман, Д.Л.; Бертон, HR (1993). «Химия, возникновение и биологические эффекты насыщенных пирролизидиновых алкалоидов, связанных с взаимодействием эндофитов и трав». Сельское хозяйство, экосистемы и окружающая среда . 44 (1–4): 81–102. дои : 10.1016/0167-8809(93)90040-В .
- ^ Бланкеншип Дж.Д., Хауснехт Дж.Б., Пал С., Буш Л.П., Гроссман Р.Б., Шардл К.Л. (2005). «Биосинтетические предшественники грибных пирролизидинов, лолиновых алкалоидов». ХимБиоХим . 6 (6): 1016–1022. дои : 10.1002/cbic.200400327 . ПМИД 15861432 . S2CID 13461396 .
- ^ Фолкнер-младший, Хуссаини С.Р., Бланкеншип Дж.Д., Пал С., Бранан Б.М., Гроссман Р.Б., Шардл К.Л. (2006). «О последовательности образования связей в биосинтезе лолиновых алкалоидов». ХимБиоХим . 7 (7): 1078–1088. дои : 10.1002/cbic.200600066 . ПМИД 16755627 . S2CID 34409048 .
- ^ Jump up to: а б Чжан Д.С., Стромберг А.Дж., Спиринг М.Дж., Шардл К.Л. (2009). «Совместно регулируемая экспрессия генов биосинтеза алкалоидов лолина в культурах Neotyphodium uncinatum». Грибковая генетика и биология . 46 (8): 517–530. дои : 10.1016/j.fgb.2009.03.010 . ПМИД 19366635 .
- ^ Уилкинсон Х.Х., Сигел М.Р., Бланкеншип Дж.Д., Мэллори А.С., Буш Л.П., Шардл К.Л. (2000). «Вклад грибных алкалоидов лолина в защиту от тли при травяно-эндофитном мутуализме». Молекулярные растительно-микробные взаимодействия . 13 (10): 1027–1033. дои : 10.1094/MPMI.2000.13.10.1027 . ПМИД 11043464 .
- ^ Кутил Б.Л., Гринвальд С., Лю Г., Спиринг М.Дж., Шардл К.Л., Уилкинсон Х.Х. (2007). «Сравнение кластеров генов алкалоидов лолина в грибковых эндофитах: прогнозирование мотивов корегуляторной последовательности и истории эволюции». Грибковая генетика и биология . 44 (10): 1002–10. дои : 10.1016/j.fgb.2007.04.003 . ПМИД 17509914 .
- ^ Jump up to: а б Спиринг М.Дж., Мун К.Д., Уилкинсон Х.Х., Шардл К.Л. (2005). «Кластеры генов инсектицидных алкалоидов лолина у травяного эндофитного гриба Neotyphodium uncinatum» . Генетика . 169 (3): 1403–1414. doi : 10.1534/genetics.104.035972 . ПМЦ 1449547 . ПМИД 15654104 .
- ^ Jump up to: а б Спиринг М.Дж., Фолкнер-младший, Чжан Д.С., Мачадо С., Гроссман Р.Б., Шардл К.Л. (2008). «Роль монооксигеназы цитохрома P450 LolP в биосинтезе алкалоидов лолина». Грибковая генетика и биология . 45 (9): 1307–1314. дои : 10.1016/j.fgb.2008.07.001 . ПМИД 18655839 .