Антоцианините са тайните на цвят

Преди няколко века, тя започва един от най-интересните и красиви истории в биологията - изучаването на историята на цвят в растенията. Растителни пигменти антоциани играе важна роля в откриването на законите на подвижни генетични елементи, РНК интерференцията на Мендел - всички тези открития са направени благодарение на наблюденията на цвета на растенията. Към днешна дата, биохимичен характер на антоцианин, тяхната биосинтеза и нейното регулиране се изучава в детайли. Тези данни създават необичайно оцветени сортове декоративни растения и култури. Blue Rose - сега вече не е приказка.

Какви са антоцианини? Малко за химия

Фиг. 1. "Chudesnik" сортове картофи, които дават Урал животновъдите (Разрешение Е. P. Shaninoy)

Наскоро, на български и чуждестранни медии често получават съобщения за чудо плодове, чудодейни плодове и прекрасни цветя с необичайно оцветяване, които или не се случва в тези растителни видове, или общо, но много рядко. Разбъркайте сред българската общественост наскоро направи новината за нов вид "Chudesnik" картоф плът на теменужката създаден от животновъди от Урал институт на земеделието (фиг. 1). Сред зеленчуците с лилаво оцветяване необичайно за нас, може да се спомене, зеле, чушки, моркови, карфиол. Имайте предвид, че всички одобрени за отглеждане за търговски цели разнообразие лилави зеленчуци, плодове и зърнени култури са създадени в хода на отглеждане, не е генетично модифициран сортове.

Тези и други манипулации с удебелен оцветяване който преса нарича "пита", възможни благодарение на изчерпателно изследване на естеството на антоцианин пигментация и антоцианин биосинтеза съединения генетичен компонент.

Фиг. 2. Първият син в света роза, създаден от учени от австралийската компания "Florigen" поддържа "Suntory" японски холдинг

Днес, добре проучени растителни пигменти, като флавоноиди, каротеноиди и betalains. Всички известни каротеноиди моркови и betalains да включват, например, червено цвекло пигменти. Една група от флавоноидни съединения допринася най-много за разнообразие от нюанси на цветове в растения. Тази група включва жълти Auron, халкони и флавоноиди, както и главните герои на този член - антоцианини, които цветни растения в розово, червено, оранжево, червено, лилаво, светло синьо, тъмно син цвят. Между другото, антоцианини са не само красиви, но и много полезни за един човек: както се оказа в хода на тяхното проучване, биологично активна молекула.

По този начин, антоцианини - растителни пигменти, които могат да присъстват в растения в генеративни органи (цветя, полен) и вегетативно (стъбла, листа, корени), както и в плодове и семена. Те се съдържат в клетка за постоянно или да се яви на определен етап от развитието на растенията или под стрес. Последното обстоятелство е довело учените да предполагат, че антоцианини са необходими не само за ярки цветове, за да се привлекат опрашители и дистрибутори на семена, но също така и да се справят с различни видове стрес.

Има повече от 500 индивидуални антоцианин съединения и техния брой непрекъснато се увеличава. Те всички имат С15-въглероден скелет - два бензенови пръстени А и В са свързани С3 фрагмент, че с кислороден атом образуват γ-пирон пръстен (С-пръстен на фигура 3.). Така други флавоноиди антоцианини съединения се характеризират с положителен заряд и двойната връзка в С-пръстена.

Фиг. 3. Основната структура на антоцианини и антоцианидини. въглеродни атоми са номерирани

За всички техни голямо разнообразие антоцианин съединения - производни на само шест основни антоцианидини: (. Фигура 3, Таблица) пеларгонидиновите, цианидин, peonidina, делфинидин, Петунидиновите и малвидиновите които се различават странични радикали R1 и R2. Тъй биосинтезата на цианидин образува пеонидиновите и петунидин и малвидин - от делфинидин, има три основни антицианидин: пеларгонидиновите, цианидин и делфинидин - това е предшественик на всички антоцианин съединения.

Модификации на основния скелет на С15-въглерод създават отделни съединения от класа на антоцианин. Например, на фиг. 4 показва структурата на т.нар небесносиньо антоцианин, който цветове цветята поветица Ipomoea синьо.

Фиг. 4. Структура на небесносин антоцианин. Съединението се изолира от Convolvulus Ipomoea трицветно. Blue маркиран пеонидиновите (метилирано производно на цианидин); зелен - останки от кафеена киселина; черен - глюкозни остатъци.
Фигура: «Шрьодер Group» с www.bblogk.uni-freiburg.de сайт. Снимка: Е. Russell

възможни варианти

Също така, пигментация зависи от рН на вакуоли, където се акумулират антоцианин съединение. Същото съединение в зависимост от степента на промяна в рН на сока клетка може да придобива различни нюанси. По този начин, антоцианин разтвор в кисела среда има червено неутрално - виолетово, и алкална - жълто-зелено.

Така че ние сме казали, отколкото поради нюанси на антоцианин пигментация, защо те са различни в различните видове или дори в един и същи завод в различни условия. Reader може да експериментирате с къща на вашите растения, да се наблюдава промяна в техните цветове. Може би в хода на тези експерименти ще постигнете желания цвят сянка и си завод ще оцелее, но със сигурност не е дал този нюанс на потомството му. Към ефект е наследствено, е необходимо да се разбере, в друг аспект на формирането на цвят, а именно на генетичен компонент на антоцианин биосинтеза.

Гените са синьо и лилаво

Към днешна дата, всички етапи на биосинтеза на антоцианини и упражняване на ензимите са известни и изследвани подробно методите за биохимия и молекулярна генетика (виж фиг. 7). От многото видове растения подчертано структурни и регулаторни гени на антоцианин биосинтеза. Познаването на биосинтеза на антоцианин пигменти в определен вид растение позволява да манипулират цвета си на генетично ниво, създаване на растения с необичайна пигментация, която ще се предава от поколение на поколение.

Подбор и модифициране на гена

Фиг. 8. Purple (вляво), синьо (вдясно) и небоядисани (в средата) пшеница зърно. «Метро» Новини с metronews.ca сайт

В тези примери, са въведени пшеница генни регулаторни гени. С други думи, пшеницата има функционална единица биосинтеза антоцианин (всички необходими за биосинтеза на ензими, е добре). Регулаторни гени от родствени видове, работят само в пшеница "антоцианин биосинтеза машина" е в зърното.

Това са примери за манипулиране на регулаторни гени. Един пример за използване на генно инженерство обезцветяване поради структурна антоцианин биосинтез гени - новаторска работа провежда 80s германски учени на петуния ( "Nature", 1987, 330, 677-678, Doi: 10.1038 / 330677a0). Първо живопис растение е бил променен в историята на методите на генното инженерство.

Обикновено петуния растение не съдържа пигменти, производни на пеларгонидиновите. За да се разбере защо това се случи, ние се върнете към фиг. 7. ензим DFR (digidroflavonol-4-редуктаза) петуния Най-предпочитан субстрат - digidromiritsetin по-малко предпочитано - дихидрокверцетин и digidrokempferol не се използва като субстрат. Напълно различна картина на специфичността на субстрата на този ензим в царевица, DFR които "предпочита" просто digidrokempferol. Въоръжени с това знание, Meyer използва мутант линия от Petunia, в които не F3'H и F3'5'H ензими. С поглед към фиг. 7, не е трудно да се отгатне, че този мутант линия натрупаната digidrokempferol. А какво ще стане, ако сте написали в мутант линия на генетична структура, съдържаща ген DFR царевица? Клетките се появяват петуния ензим, който, за разлика от "родната» DFR петуния, способен да превърне digidrokempferol пеларгонидиновите. По този начин учените получиха петуния с нехарактерно тухла-червен цвят цвете (фиг. 10).

Фиг. 10.Sleva петуния мутант съответствие с бледо розов цвят на венче поради наличието на следи от антоцианини - производни на цианидин и делфинидин, прав - генетично модифицирани растения Petunia натрупване антоцианини - пеларгонидин производни ( "Nature", 1987, 330, 677-678)

Въпреки това, учените не винаги имат под ръка е толкова удобни мутанти, така че често се налага да "изключи" нежеланото ензимна активност и "включване" на този, който има нужда от промяна в областта на растителната оцветяване. Този подход е бил използван, за да се създаде първата в света синя роза с цветни пъпки (фиг. 2, 11).

Фиг. 11. Схемата за създаване на синя роза. Конвенционалните рози не digidromiritsetin формира, така че няма нюанси на синьото в техния цвят. В синя роза, от друга страна, е изключено образуването на червени и оранжеви пигменти

Ние рози, създадени от усилията на животновъдите, венчелистче цвят варира от ярко червено и бледо розово до жълто и бяло. Интензивно изучаване на биосинтеза на антоциани в Rose разкри, че те нямат F3'5'H дейност, както и на ензима роза DFR използва като субстрати дихидрокверцетин и digidrokempferol но не digidromiritsetin. Ето защо, при създаването на синя роза, учените са избрали следната стратегия. В първия етап на роза "отрязани" на своя ензим DFR (използван за този подход се основава на РНК интерференция), а вторият - ген се въвежда в генома на рози, кодиращи функционално F3'5'H теменуга (Viola), се добавя трета DFR ирис ген, който кодира производство digidromiritsetina на делфинидин ензим - антоцианини предшественик със син цвят. В този случай, ензимите F3'5'H теменуги и рози F3'H не се конкурират едно с друго за субстрата (т.е. digidrokempferol, фиг. 7), за да се създаде синя роза е избран генотип липсата на F3'H активност.

Друг пример за невероятните възможности, които се отварят пред нас на натрупаните данни за биосинтеза на флавоноидни пигменти в комбинация с методите на генното инженерство - е да се получи Торен растение с жълти цветя (фиг 12.).

Фиг. 12. Схемата на антоцианин биосинтеза и Auron. По-долу нормални цветя Торен, натрупват антоцианини (вляво) и трансгенни натрупват Auron (вдясно). Легенда: GCB - tetragidroksihalkon, UGS - pentagidroksihalkon