Antocianinele sunt secretele de culoare
Câteva secole în urmă, a început una dintre poveștile cele mai interesante si frumoase in biologie - studiul istoriei de culoare din plante. pigmenți antociani a jucat un rol important în descoperirea legilor lui Mendel de elemente genetice mobile, interferenta ARN - toate aceste descoperiri au fost făcute datorită observațiilor culorii plantelor. Până în prezent, natura biochimică a antociani, biosinteza lor și reglementarea acesteia este studiată în detaliu. Aceste date crea soiuri de plante ornamentale și culturi neobișnuit colorate. Blue Rose - este acum nu mai este un basm.
Ce sunt antociani? Un pic despre chimie
Fig. 1. "Chudesnik" soiuri de cartofi, care a dat crescătorii Ural (Courtesy E. P. Shaninoy)
Recent, în mass-media românești și internaționale de multe ori mesaje despre fructe miracol, fructe miraculoase și flori minunate cu colorat neobișnuit, care fie nu se produce în aceste specii de plante, sau comune, dar foarte rar. Se agită în rândul publicului român și-a făcut recent vestea despre un nou tip de „Chudesnik“ carne de cartofi de la violet create de crescatori de la Institutul de Agricultură Ural (fig. 1). Printre legumele cu varză de colorat mov neobișnuit pentru noi poate fi, de asemenea, menționate, ardei, morcovi, conopidă. Rețineți că toate aprobate pentru cultivare în scopuri comerciale varietate violet de legume, fructe și cereale au fost create în cursul de reproducere, soiuri care nu este modificat genetic.
Acestea și alte manipulări cu caractere aldine colorit care face apel presa „minuni“, este posibil datorită studiului global al naturii pigmentare antocianină și compuși de componente genetice biosintezei antociani.
Fig. 2. Primul albastru din lume a crescut, creat de oamenii de stiinta de la compania australiană „Florigen“ a sprijinit compania „Suntory“ exploatație japoneză
Astăzi, pigmenți de plante bine studiat, cum ar fi flavonoide, carotenoide și betalains. Toți cunoscuți morcovi carotenoidele și betalains pentru a include, de exemplu, pigmenți de sfeclă roșie. Un grup de compuși flavonoidici contribuie cel mai mult la varietatea de nuanțe de culori în plante. Acest grup include galben Auron, chalcone și flavonoide, precum protagoniștii acestui articol - antocianine, care plantele de culoare în roz, rosu, portocaliu, roșu, violet, albastru deschis, de culoare albastru închis. Apropo, antociani nu sunt numai frumoase, dar, de asemenea, foarte util pentru o persoană: așa cum sa dovedit în cursul studiului lor, o moleculă biologic activă.
Astfel, antocianine - pigmenți de plante care pot fi prezente în plante în organele generative (flori, polen) și vegetativ (tulpini, frunze, rădăcini), precum și în fructe și semințe. Acestea sunt conținute într-o celulă permanent sau să apară într-un anumit stadiu de dezvoltare a plantelor sau sub stres. Această din urmă împrejurare a condus oamenii de știință care să sugereze că antociani sunt necesare nu numai pentru culori vii pentru a atrage polenizatori și distribuitori de semințe, dar, de asemenea, să se ocupe cu diferite tipuri de stres.
Există mai mult de 500 de compuși individuali antociani, iar numărul lor este în continuă creștere. Toate au un schelet C15-carbon - două inele benzenice A și B sunt conectate fragment C3 care cu atomul de oxigen formează un inel γ-pironă (C-ring în Fig 3.). Astfel, alți compuși antociani flavonoidici sunt caracterizați ca având o sarcină pozitivă și legătura dublă din inelul C.
Fig. 3. Structura de bază a antocianine și antocianidine. Atomii de carbon sunt numerotate
Pentru toți marii compuși ai acestora varietăți antocianine - derivați de numai șase antocianidine majore: (. Figura 3, tabelul) pelargonidin, cyanidin, peonidina, delfinidină, petunidina și malvidin care diferă radicalii laterale R1 și R2. Deoarece biosinteza peonidină cyanidin formate și petunidina și malvidin - de la delfinidină, există trei anthocyanidin majore: pelargonidin, cianidina și delfinidina - aceasta este precursorul tuturor compușilor antociani.
Modificările la scheletul de bază al C15-carbon creează compuși individuali din clasa antociani. Ca un exemplu, în Fig. 4 prezintă structura așa-numita antociani-albastru deschis, ce culori florile volbura albastru Ipomoea.
Fig. 4. Structura antociani cerul albastru. Compusul izolat din Convolvulus Ipomoea tricolor. Albastru marcat peonidină (derivat metilat al cyanidin); verde - resturile de acid cafeic; reziduuri de glucoză - negru.
Figura: «Schroeder Group» cu site-ul www.bblogk.uni-freiburg.de. Foto: E. Russell
opțiunile posibile
De asemenea, pigmentare depinde de pH-ul din vacuolele unde se acumulează compus antociani. Același compus, în funcție de amploarea trecerii pH-ului seva celulei poate dobândi diferite nuanțe. Astfel, soluția de antociani într-un mediu acid are o culoare roșie într-un neutru - violet și alcalină - galben-verzui.
Deci, ni se spune, decât din cauza nuanțe de pigmentare antociani, de ce acestea sunt diferite în diferite specii sau chiar în aceeași instalație în condiții diferite. Reader poate experimenta cu plante casa ta, pentru a observa schimbări în culorile lor. Poate că în cursul acestor experimente, veți obține nuanța dorită și planta va supraviețui, dar cu siguranță nu a dat această umbră seminței lui. Pentru a fost moștenită efect, este necesar să se înțeleagă într-un alt aspect al formării culorii, și anume, componenta genetică a biosintezei antocianinei.
Genele sunt albastru si violet
Până în prezent, toate etapele biosintezei antociani și exercită enzimele lor sunt cunoscute și studiate în detaliu metodele de biochimie si genetica moleculara (vezi Fig. 7). Dintre numeroasele specii de plante evidențiate gene structurale și de reglementare ale biosintezei antociani. Cunoașterea biosinteza pigmenți antociani într-un anumit tip de plante vă permite să manipuleze culoarea la nivel genetic, crearea de plante cu pigmentare neobișnuită, care va fi transmisă din generație în generație.
Selectarea și modificarea genei
Fig. 8. Violet (stânga), albastru (dreapta) și nevopsită (centru) Grâu boabe. «Metro News» cu site-ul metronews.ca
In aceste exemple, au fost introduse gene de reglementare gena grâu. Cu alte cuvinte, grâul are o biosintezei unitate funcțională antocianina (toate enzimele necesare pentru biosinteza, este OK). Genele de reglementare din specii înrudite, executați numai în grâu „mașină de biosinteza antociani“ este în cereale.
Acestea au fost exemple de manipulare a genelor de reglementare. Un exemplu de utilizare a decolorării inginerie genetică datorită genelor biosinteza antocianinei structurale - munca de pionierat realizat 80 de oameni de știință germani pe petunie ( «Nature», 1987, 330, 677-678, doi: 10.1038 / 330677a0). Prima centrală pictura a fost modificat în istoria metodelor de inginerie genetică.
În mod normal, planta petunia nu conține pigmenți, derivați de pelargonidin. Pentru a înțelege de ce se întâmplă acest lucru, ne întoarcem la Fig. 7. enzimă DFR (digidroflavonol-4-reductaza) petunie substrat preferat - digidromiritsetin mai puțin preferat - Dihydrocuecetina și digidrokempferol nu este utilizat ca substrat. O imagine complet diferită a specificității de substrat al acestei enzime în porumb, DFR care „preferă“ doar digidrokempferol. Înarmat cu această cunoaștere, Meyer a folosit o linie mutantă de Petunia, în care nici F3'H și F3'5'H enzime. Privind la Fig. 7, nu este greu de ghicit că această linie mutantă acumulat digidrokempferol. Și ce se întâmplă dacă tastați într-o linie mutantă de construcție genetică care cuprinde o genă DFR de porumb? Celulele apar enzima petunie care, spre deosebire de „nativ» DFR petunia, capabil să transforme un pelargonidin digidrokempferol. În acest fel, cercetatorii au luat petunie cu necaracteristic de culoare floare-caramida rosie (fig. 10).
Fig. 10.Sleva petunia mutante cu o culoare roz pal corolei datorită prezenței urmelor de antocianine - derivați de cyanidin și delfinidina dreapta - plantă modificată genetic Petunia acumularea antocianine - pelargonidin derivati ( «Nature», 1987, 330, 677-678)
Cu toate acestea, cercetătorii nu au întotdeauna la îndemână este ca mutanti confortabil, atât de des trebuie să „opri“ activitatea enzimatică nedorită și „porniți“, cea care are nevoie de modificări de colorație a plantelor. Această abordare a fost utilizată pentru a crea primul albastru din lume a crescut cu muguri colorate (Fig. 2, 11).
Fig. 11. Schema de creare a unui trandafir albastru. trandafiri convenționale nu digidromiritsetin format, astfel încât nu există nuanțe de albastru în culoarea lor. La Blue Rose, prin contrast, este oprit formarea de pigmenți roșii și portocalii
Noi trandafiri create de eforturile depuse de crescători, de culoare petală variază de la roz pal la roșu și galben și alb. studiu intensiv al biosintezei antociani în Rose a arătat că nu au nici o activitate F3'5'H, iar enzima a crescut DFR utilizează ca substraturi Dihydrocuecetina și digidrokempferol, dar nu digidromiritsetin. Prin urmare, atunci când se creează un trandafir albastru, oamenii de știință au ales următoarea strategie. În prima etapă a unui trandafir „taie“ din propria enzimă DFR (utilizată pentru această abordare se bazează pe interferența ARN), al doilea - gena introdusă în genomul de trandafiri care codifică un pansy F3'5'H funcțional (Viola), s-a adăugat al treilea gena iris dfr care codifică o enzimă care produce digidromiritsetina de delfinidină - predecesorul antocianine cu o culoare albastră. În acest caz, enzimele F3'5'H panselute si trandafiri F3'H nu concurează între ele pentru substrat (adică, digidrokempferol, fig. 7), pentru a crea un trandafir albastru a fost selectat genotipul lipsei activității F3'H.
Un alt exemplu de uimitoare oportunitățile care se deschid înainte de a ne datele acumulate asupra biosintezei pigmenților flavonoizi, în combinație cu metodele de inginerie genetică - este de a obtine plante Toren cu flori galbene (figura 12.).
Fig. 12. Circuitul biosintezei antociani și Auron. Sub flori normale Toren, acumula antociani (stânga) și transgenic acumulează Auron (dreapta). Legendă: GCB - tetragidroksihalkon, UGS - pentagidroksihalkon