В июне 2025 года в журнале Nature Communications была опубликована работа, описывающая неожиданный феномен у дикого томата Solanum cheesmaniae с Галапагосских островов. Растения на молодых западных островах архипелага начали синтезировать стероидные гликоалкалоиды с конфигурацией углерода, характерной для отдалённых предков, а не для современных представителей рода. Авторы из Института Вейцмана и Калифорнийского университета в Риверсайде обсуждают этот случай как возможный пример обратной эволюции, оговариваясь, что сам термин остаётся спорным в научном сообществе.
Что такое стероидные гликоалкалоиды и зачем они растениям
Томаты, картофель, баклажан и другие представители семейства Solanaceae вырабатывают горькие защитные вещества — стероидные гликоалкалоиды (СГА). Они действуют как встроенные инсектициды и противогрибковые агенты, отпугивая насекомых, патогенные грибы и травоядных животных. На Галапагосах растительный мир в целом менее защищён от хищников, чем животный, поэтому химическая защита для местных томатов сохраняет своё значение.
Все СГА несут хиральный центр в положении C25 молекулы: атом углерода может существовать в двух зеркально противоположных конфигурациях — 25S и 25R. От того, какая конфигурация реализована, зависят биологические свойства вещества: эффективность против конкретных вредителей, токсичность и устойчивость к разложению. Культурный томат и картофель производят преимущественно изомер 25S. Баклажан и более ранние предки рода — изомер 25R.
Ключевой фермент и его мутации
За выбор конфигурации отвечает один фермент — цитохром P450 под названием GAME8. Именно он гидроксилирует терминальную метильную группу в боковой цепи холестерина, создавая хиральный центр. В зависимости от того, какую из двух метильных групп — pro-S или pro-R — атакует фермент, образуется либо современный изомер (25S), либо предковый (25R).
Авторы исследования проанализировали последовательности GAME8 у нескольких десятков видов семейства Solanaceae. Выяснилось, что предковый белок GAME8 производил изомер 25R. В ходе эволюции у предков современного томата в гене накопились мутации в восьми ключевых аминокислотных позициях активного центра, что переключило фермент на производство изомера 25S. Важно, что для этого переключения оказалось достаточно изменить всего четыре аминокислоты в активном центре — это подтверждено в лабораторных экспериментах: синтетический ген с такими заменами, введённый в табачное растение, начинал производить нужный изомер.
Что происходит у галапагосских томатов
Авторы проанализировали 35 образцов Solanum cheesmaniae, собранных на разных островах архипелага. Растения разделились на три группы по составу алкалоидов. На восточных, более старых островах — Сан-Кристобаль, Санта-Крус и Санта-Фе — томаты производят преимущественно изомер 25S, как их предки-материковые родственники. На молодых западных островах — Фернандина и Исабела — доля изомера 25R достигает 40–50%.
Секвенирование гена GAME8 показало: у растений с умеренным содержанием 25R произошла одна аминокислотная замена в активном центре, у растений с высоким содержанием — три, причём две из них совпадают с теми, что характерны для предковой формы фермента. Иными словами, в активном центре происходит постепенное «восстановление» предковых аминокислот. Авторы рассматривают это как возможный пример реверсии к предковому состоянию.
Почему термин «обратная эволюция» остаётся спорным
Эволюционные биологи в целом относятся к понятию «обратная эволюция» осторожно. Традиционно эволюция рассматривается как однонаправленный процесс: возврат к точно тем же генетическим путям, что использовались миллионы лет назад, маловероятен из-за накопленных за это время мутаций. Тем не менее случаи повторного приобретения признаков, схожих с предковыми, описаны у змей, рыб и бактерий.
В данном случае речь идёт о весьма конкретном химическом и генетическом свидетельстве: фермент с аминокислотными заменами, характерными для предковой формы, производит предковый изомер. Однако вопрос о том, происходит ли именно «возврат по той же эволюционной тропе» или же это независимый отбор схожих мутаций в схожих условиях среды, остаётся дискуссионным.
Авторы работы рассматривают несколько возможных механизмов: естественный отбор в пользу изомера 25R в условиях молодых вулканических островов с бедными почвами и иным набором вредителей; генетический дрейф в небольших изолированных популяциях; интрогрессия генов от другого галапагосского вида — Solanum galapagense, хотя его образцы в данном исследовании производили практически исключительно изомер 25S.
Ограничения исследования
Работа охватывала 35 образцов одного вида с конкретных островов — выборка, достаточная для обнаружения закономерности, но недостаточная для её полного объяснения. Исследование не проверяло, действительно ли изомер 25R даёт адаптивное преимущество на западных островах: данных о том, насколько эффективнее он защищает растения от местных вредителей и патогенов, пока нет. Корреляция с возрастом острова и химическим составом алкалоидов убедительна, но не равнозначна доказательству причинно-следственной связи.
Что это даёт науке и практике
Основной практический интерес исследования связан с управлением содержанием алкалоидов в культурных растениях. Высокое содержание СГА токсично для людей — именно поэтому зелёные и проросшие картофельные клубни не следует употреблять в пищу. Понимание того, какие аминокислотные замены в ферменте GAME8 переключают производство с одного изомера на другой, открывает возможности для направленного изменения химического состава пасленовых культур: снижения токсичности в съедобных частях или повышения устойчивости к вредителям.
Авторы также подчёркивают, что результаты не дают оснований считать плоды галапагосских томатов опасными для людей. Токсикологических данных, которые свидетельствовали бы о повышенной токсичности изомера 25R по сравнению с 25S применительно к человеку, в работе не представлено.
В более широком контексте исследование показывает, что эволюция метаболических путей — в частности, ферментов с хиральной специфичностью — гораздо пластичнее, чем предполагалось. Буквально нескольких точечных мутаций в активном центре одного белка достаточно, чтобы кардинально изменить химический профиль растения. Это знание, по словам авторов, может в будущем использоваться для разработки новых лекарств, средств защиты растений и менее токсичных сортов культурных пасленовых.
Читайте также: Как сахар служит скрытым термостатом в растениях