Antocianinai: spalvų paslaptys

Antocianinai: spalvų paslaptys

O. J. Шева,
Kandidatas biologijos mokslų
"Chemija ir gyvybė" № 1, 2013

Prieš keletą šimtmečių prasidėjo viena įdomiausių ir gražiausių biologijos mokslų istorijų – augalų spalvos tyrimo istorija. Antocianino augalų pigmentai suvaidino svarbų vaidmenį atradus Mendelio, mobilių genetinių elementų, RNR trukdžių įstatymus – visi šie atradimai buvo atlikti stebint augalų spalvą. Iki šiol antocianinų biocheminis pobūdis, jų biosintezė ir jos reguliavimas buvo pakankamai išsamiai ištirti. Gauti duomenys leidžia jums sukurti neįprastai spalvotas dekoratyvinių augalų ir pasėlių veisles. Mėlyna rožė nebėra pasakos.

Kas yra antocianinai? Mažai apie chemiją

Pav. 1. Bulvių veislės "Chudesnik", išvedę uražių veislininkystę (E. P. Šaninos fotografija)

Neseniai Rusijos ir užsienio žiniasklaidoje dažnai pranešama apie stebuklingų vaisių, stebuklingų daržovių ir neįprastos spalvos stebuklingų gėlių, kurios arba nėra šios augalų rūšys, ar yra rasta, tačiau labai retai. "Furor" tarp rusų visuomenės neseniai paskelbė apie naują bulvių "Chudesnik" įvairovę su raudonos spalvos pulpos, sukurtos Uralo žemės ūkio tyrimų instituto veisėjų (1 pav.).Tarp daržovių su violetinės spalvos, neįprastos mums, taip pat galite paminėti kopūstai, pipirai, morkos, žiediniai kopūstai. Pažymėtina, kad atrankos metu buvo sukurtos visos violetinės daržovių, vaisių ir grūdų, patvirtintos komerciniam auginimui, veislės, jos nėra genetiškai modifikuotos veislės.

Kitas pavyzdys – mėlyna rožė, svajonė apie daugiau nei vieną veisėjų ir sodininkų kartą. Iki 2004 m. Rožių mėlynieji pumpurai buvo galima gauti tik naudojant cheminius dažiklius, tokius kaip indigo, kurie buvo įšvirkšti į baltos rožės šaknis (žr. Chemija ir gyvenimas, 1989 m., Nr. 6). 2004 m., Pirmą kartą naudojant genų inžineriją pasaulyje, buvo sukurta reali mėlyna rožė (2 pav.).

Šios ir kitos drąsios spalvų manipuliacijos, kurias spauda vadina "stebuklais", tapo įmanoma dėl išsamaus antocianino pigmentacijos pobūdžio ir genetinės antocianinų biosintezės komponento tyrimo.

Pav. 2 Pirmoji pasaulyje mėlyna rožė, kurią sukūrė Australijos mokslininkai iš "Florigen", remiant japonų holdingo kompanijai "Santori"

Šiandien augalų pigmentai, tokie kaip flavonoidai, karotinoidai ir betalinės medžiagos, buvo ištirti gana gerai.Visi žino, kokie yra karotinoidų morkos, bet betalainiai yra, pavyzdžiui, runkelių pigmentai. Flavonoidų junginių grupė labiausiai prisideda prie augalų spalvų įvairovės. Šiai grupei priskiriami geltonieji auronai, chalkonai ir flavonoliai, taip pat pagrindiniai šio straipsnio veikėjai – antocianinai, dažantys augalus rožinės, raudonos, oranžinės, raudonos, violetinės, mėlynos, tamsiai mėlynos spalvos. Beje, antocianinai yra ne tik gražūs, bet ir labai naudingi žmonėms: kaip paaiškėjo tyrimo metu, tai yra biologiškai aktyvios molekulės.

Taigi, antocianinai yra augalų pigmentai, kurie gali būti augaluose tiek generuojamose organuose (gėlių, žiedadulkėse), tiek vegetatyviniuose (stiebai, lapai, šaknys), taip pat vaisiuose ir sėklose. Jie yra ląstelėje nuolat arba atsiranda tam tikru augalų vystymosi etapu arba streso įtaka. Pastaroji aplinkybė paskatino mokslininkus manyti, kad antocianinai reikalingi ne tik ryškiems apdulkintojams ir sėklų platintojams, bet ir kovai su įvairiomis streso rūšimis.

Pirmieji eksperimentai dėl antocianino junginių tyrimo ir jų cheminio pobūdžio vyko garsusis anglų chemikas Robertas Boyle.Dar 1664 m. Jis pirmą kartą atrado, kad rūgščių veikloje mėlynoji gvazdikinių žiedlapių spalva pasikeičia raudonai, o šarminio poveikio metu žiedlapiai žali. 1913-1915 m. Vokiečių biochemikas Richard Willstätter ir jo šveicarų kolega Arthur Stol paskelbė antocianinų seriją. Jie išskyrė atskirus pigmentus iš įvairių augalų gėlių ir apibūdino jų cheminę struktūrą. Paaiškėjo, kad antocianinai ląstelėse daugiausia yra glikozidai. Jų aglikonai (pagrindinės pirmtakų molekulės), vadinamos antocianidinu, daugiausia siejasi su cukrumi, gliukozės, galaktozės ir ramnozės. "1915 m." Augalų pasaulio, ypač chlorofilio, dažiklių tyrinėjimui "Richard Willstätter gavo Nobelio premiją chemijos srityje.

Yra žinoma daugiau nei 500 individualių antocianinų junginių, jų skaičius nuolat didėja. Jie visi turi C15– anglies karkasas – du benzeno žiedai A ir B, sujungti su3-fragmentas, kuris su deguonies atomu sudaro γ-pireno žiedą (C-žiedas, 3 pav.). Tuo pat metu antocianinai skiriasi nuo kitų flavonoidų junginių esant teigiamam krūviui ir dvigubam ryšiui C žiede.

Pav. 3 Pagrindinė antocianidinų ir antocianinų struktūra.Anglies atomų skaičius

Su visais jų didžiulėmis įvairove antocianino junginiai yra tik šešių pagrindinių antocianidinų dariniai: pelargonidinas, cianidinas, peonidinas, delfinidinas, petunidinas ir malvidinas, kuriuos išskiria šoniniai radikalai R1 ir R2 (3 pav., Lentelė). Kadangi biosintezės metu peonidinas susidaro iš cianidino, peludinidino ir malvidino iš delfinidino, mes galime išskirti tris pagrindinius antocianidinus: pelargonidiną, cianidiną ir delfinidiną – jie yra visų antocianinų pirmtakai.

Pagrindinės C pakeitimai15anglies skeletas sukuria atskirus junginius iš antocianinų klasės. Kaip pavyzdys fig. 4 parodyta vadinamojo dangaus mėlynojo antocianino struktūra, kuri dėmė mėlynąsias juodmedis Ipomoea geles.

Pav. 4 Dvigubo mėlyno antocianino struktūra. Jungtis, izoliuota nuo juostos Ipomoea trispalvis. Mėlyna pažymėtas peonidinas (metilintas cianidino darinys); žalia – kofeino rūgšties liekanos; juoda – gliukozės likučiai.
Paveikslėlis: "Schroeder Group" iš www.bblogk.uni-freiburg.de. Nuotrauka: E. Russell

Galimos parinktys

Kokios spalvos augalų antocianai bus spalvos priklauso nuo daugelio veiksnių.Visų pirma, spalva yra nustatoma pagal antocianinų struktūrą ir koncentraciją (ji kyla iš streso). Delfinidinas ir jo dariniai turi mėlyną arba mėlyną spalvą, raudonai oranžinė spalva yra gaunama iš pelargonidino, o raudonos spalvos – cianidinas (5 pav.). Tokiu atveju mėlyna spalva nustatoma hidroksilo grupėmis (žr. Lentelę ir 4 pav.), O jų metilinimas, ty CH3– grupės sukelia paraudimą ("Tarptautinis molekulinių mokslų žurnalas", 2009, 10, 5350-5369, doi: 10.3390 / ijms10125350)

Pav. 5 Įvairių eustomos veislių gėlės, kuriose vyrauja pigmentai – pelargonidino dariniai (kairėje), cianidinas (centre) ir delfinidino (dešinėje) Iš knygos "Antocianinai: biosintezė, funkcijos ir programos"(Springer, 2008)

Be to, pigmentacija priklauso nuo pH vakuume, kur kaupiasi antocianino junginiai. Vienas ir tas pats junginys, priklausomai nuo ląstelių sulčių rūgštingumo pasikeitimo, gali įgyti skirtingus atspalvius. Taigi antocianinų tirpalas rūgštinėje aplinkoje yra raudonos spalvos, neutralioje – violetinėje ir šarminėje – geltonai žaliai.

Tačiau pH vakuume gali svyruoti nuo 4 iki 6, todėl daugeliu atvejų mėlynos spalvos išvaizda negali būti paaiškinta terpės pH įtaka. Todėl buvo atlikti papildomi tyrimai, kurie parodėkad antocianinai augalų ląstelėse nėra laisvųjų molekulių pavidalu, bet kompleksų forma su metalo jonais, kurie turi tik mėlyną spalvą ("Gamtos produktų ataskaitos2009 m., 26, 884-915. Antocianinų kompleksai su aliuminio, geležies, magnio, molibdeno ir volframo jonais, stabilizuoti kopigenti (daugiausia flavonai ir flavonoliai), vadinami metalo antocianais (6 pav.).

Pav. 6 Šešių antocianino, flavono ir dviejų metalų jonų molekulių metaloantocyanino formavimo schema. Dešinėje Protoksianino erdvinė struktūra, izoliuota iš gvazdikinių žiedlapių (nuo: "Gamtos produktų ataskaitos„, 2009, 26, 884-915)

Svarbu yra antocianinų lokalizavimas augalų audiniuose ir epidermio ląstelių forma, nes jie lemia šviesos kiekį, pasiekiantį pigmentus, taigi ir spalvos intensyvumą. Buvo parodyta, kad liūto ryklės geles su kūginės formos epidermio ląstelėmis yra ryškesnės nei mutantinių augalų gėlės, kurių epidermio ląstelės negali užimti šios formos, nors tose ir kitose augaluose antocianai suformuojami tokiu pačiu kiekiu ("Gamta„, 1994, 369, 6482, 661-664).

Taigi, mes jums pasakėme, kas sukėlė antocianino pigmentacijos atspalvius, kodėl jie skiriasi skirtingomis rūšimis ar netgi tose pačiose augalose skirtingomis sąlygomis.Skaitytojas gali eksperimentuoti su savo namų augalais, stebėdamas spalvų pasikeitimus. Galbūt atliekant šiuos eksperimentus bus pasiektas norimas spalvos atspalvis, o jūsų augalas išliks, tačiau jis tikrai nepasileis šį pavėsį savo palikuonims. Norint, kad poveikis taptų paveldėtas, būtina suprasti dar vieną spalvos formavimo aspektą, ty antocianinų biosintezės genetinę sudedamąją dalį.

Mėlyna ir violetinė genai

Antocianinų biosintezės molekulinis genetinis pagrindas buvo pakankamai nuodugniai ištirtas, o tai labai prisidėjo prie įvairių spalvų pasikeitusių augalų rūšių mutantų. Antocianinų biosintezė ir, atitinkamai, spalva priklauso nuo trijų tipų genų mutacijų. Pirmasis yra genai, koduojantys fermentus, dalyvaujančius biocheminių transformacijų grandinėje (struktūriniai genai). Antrasis yra genai, kurie nustato struktūrinių genų transkripciją tinkamu metu tinkamoje vietoje (reguliuojantys genai). Galiausiai trečias yra transporterių genai, pernešanti antocianinus į vakuumus. (Yra žinoma, kad antocianai citoplazmoje oksiduoja ir sudaro bronzos spalvos agregatus, kurie yra toksiški augalų ląstelėms ("Gamta„, 1995, 375, 6530, 397-400).)

Iki šiol visi antocianinų ir jų fermentų biosintezės etapai yra žinomi ir išsamiai ištirti biochemijos ir molekulinės genetikos metodais (7 pav.). Antocianino biosintezės struktūriniai ir reguliuojantys genai izoliuoti iš daugelio augalų rūšių. Žinios apie antocianino pigmentų biosintezę tam tikrose augalo rūšyse leidžia manipuliuoti savo spalva genetiniu lygmeniu, sukuriant neįprastos pigmentacijos augalus, kurie bus perduoti iš kartos į kartą.

Pav. 7 Antocianidinų biosintezė: cianidinas, pelargonidinas, delfinidinas. Antocianidinai dar turi modifikavimo reakcijas – glikozilinimą, acilinimą, metilinimą, kuris atlieka glikoziltransferazę (GT), actiltransferazę (AT) ir metiltransferazę (MT). Pavyzdyje parodyta tipinė antocianinų spalva, kuri susidaro iš pirmiau minėtų antocianidinų, tačiau tai priklauso nuo daugelio veiksnių: pH, kopijavimas su bespalviais flavonoidais, kompleksai su sunkiųjų metalų jonais. Atminkite, kad B žiedo metilinimas (mėlynos brūkšnys) yra antocianinai, o ne antocianidinai.
Sutrumpinimai: chalkono sintazė (CHS); Chalconlafononisomerase (CHI); dihidroflavonolio 4-reduktazė (DFR); flavanono-3-hidroksilazė (F3H); flavonoido 3'-hidroksilazė (F3'H); flavonoidas-3 ', 5'-hidroksilazė (F3'5'H); antocianidino sintazė (ANS); flavono sintazė (FNS); flavonolio sintazė (FLS) (pagal: "Tarptautinis molekulinių mokslų žurnalas„, 2009, 10, 5352)

Atranka ir genų modifikacija

Augalų spalvų modifikavimo karštuosius taškus daugiausia sudaro struktūriniai ir reguliavimo genai. Metodai, kuriais galite keisti augalų spalvą, suskirstyti į dvi rūšis. Pirmasis apima atrankos metodus. Pasirinktos augalo rūšys kryžminimo būdu priima genus iš donorų – artimi giminingos rūšies augalai su norimu bruožu. Pasak autoriaus, atrankos metodu buvo sukurtas Uralo žemės ūkio mokslų tyrimų instituto, žemės ūkio mokslų daktaro E. Shaninos, bulvių selekcijos skyriaus GNU vadovas, bulvių veislė "Wonderful".

Kitas ryškus pavyzdys – kviečiai su purpurine ir mėlyna grūdų spalva dėl antocianinų (8 pav.). Laukinėje kviečių su violetiniais grūdais pirmą kartą buvo atrasta Etiopijoje, kur, matyt, atsirado šis bruožas, o už jį atsakingi genai galėjo būti įvežami į veislinių veislių duonos kviečius, naudojant veisimo metodus.Gamtoje nėra riešutų su mėlynais grūdais, tačiau mėlynųjų kviečių kviečių santykinė – kviečių žolė. Kryžminių žolių ir kviečių kirtimas ir atrinkimas pagal šį požymį veisėjai gavo kviečius su mėlynais grūdais ("Eufitica„, 1991, 56, 243-258).

Pav. 8 Violetinė (kairėje), mėlyna (dešinėje) ir nedažytas (centre) kviečių grūdai. "Metro naujienos"iš metronews.ca

Šiuose pavyzdžiuose į kviečių genomą įtraukiami reguliavimo genai. Kitaip tariant, kviečiai turi funkcinį vienetą antocianino biosintezę (visi fermentai būtinas biosintezė, tai ok). Reguliuojami genai, gauti iš susijusių rūšių, tik pradeda antocianų biosintezės mašiną kviečių grūduose.

Pav. 9 Pomidorai, kurių sudėtyje yra daug antocianinų vaisiuose, gauti genetine inžinerija

Panašus pavyzdys, bet su antrosios grupės metodų manipuliavimo spalvos – metodai genų inžinerijos – yra gauti pomidorai su dideliu kiekiu antocianinų ( "Gamtos biotechnologija"2008, 26, 1301-1308, Doi :. 10,1038 / nbt.1506) Paprastai, prinokę pomidorai yra karotinoidų, taip pat likopeno yra riebaluose tirpių antioksidantų flavonoidų rasta nedideliais kiekiais naringenin chalkonų (2 ', 4' 6 ', 4-tetragidroksihalkon žr. 8.) pav ir rutinas (glikozilinto 5,7,3', 4'-tetragidroksiflavonol).Įvedant į augalus genetinis konstruktas, kuriame yra antracikinės antracikinės biosintezės reguliuojantys genai Ros1 ir Del prie promotoriaus E8 kontrolės, aktyvus pomidorų vaisių, tarptautinė mokslininkų grupė gavo pomidorai su dideliu kiekiu antocianinų – intensyvios raudonos spalvos (9 pav.)

Visi šie buvo manipuliavimo su reguliavimo genais pavyzdžiai. Naudojant genų inžinerijos spalvos dėl struktūrinių antocianinų biosintezės genų pavyzdys – novatoriškas darbas atliktas 80s Vokietijos mokslininkų petunijos ( "Gamta", 1987, 330, 677-678, doi: 10.1038 / 330677a0). Pirmą kartą istorijoje augalų spalva buvo pakeista genų inžinerijos metodais.

Paprastai petunijos augale nėra pigmentų, gautų iš pelargonidino. Norėdami išsiaiškinti, kodėl taip nutinka, grįžkite prie fig. 7. fermentas DFR (digidroflavonol-4-reduktazės) petunijos labiausiai pageidaujamą substratas – digidromiritsetin mažiau pageidautinas – dihidrokvercetino ir digidrokempferol nėra naudojamas kaip pagrindas. Visiškai kitoks šio fermento substrato specifiškumo vaizdas yra kukurūzuose, kurio DFR yra "pageidaujamas" dihidrokampferolio.Ginkluotosiomis šiomis žiniomis Meyer panaudojo mutantinę petūnijų liniją, kuriai trūko F3'H ir F3'5'H fermentų. Žiūri į picą. 7, nėra sunku atspėti, kad ši mutantinė linija sukaupė dihidrokempferolį. Ir kas atsitiks, jei pateksite į mutantinę liniją genetinį konstravimą, kuriame yra šis genas Dfr kukurūzai? Petunijos ląstelėse pasirodys fermentas, kuris, skirtingai nuo "natūralios" petunijos DFR, gali persukti dihidroapferolį į pelargonidiną. Tokiu būdu mokslininkai paėmė petuniją su plytų-raudonu gėlių rašalu, kuris jam būdingas (10 pav.).

Pav. 10 Kairėje mutantinė petunijos linija su blyškiai rausva violetinės spalvos spalva, atsirandanti dėl antocianinų pėdsakų, cianidino ir delfinidino darinių, dešinėje – genetiškai modifikuotas petunijos augalas, kaupiantis antocianinus – pelargonidino dariniai ("Gamta„, 1987, 330, 677-678)

Tačiau mokslininkai ne visuomet turi tokius patogius mutantus, todėl dažniausiai keičiant augalų spalvą reikia "išjungti" nereikalingą fermentinį aktyvumą ir "įjungti" tą, kuris yra reikalingas. Šis metodas buvo naudojamas sukurti pirmąją rožę pasaulyje su mėlynomis spalvomis pumpurų (2, 11 pav.).

Pav. 11 Mėlyna rožė dizainas.Įprastos rožės neveido dihidromyricetino, todėl jų spalvos nėra mėlynos spalvos. Mėlyna rožė, atvirkščiai, išjungė raudonųjų ir oranžinių pigmentų susidarymą.

Rožėse, sukurtose veisėjų pastangomis, žiedlapių spalva svyruoja nuo ryškiai raudonos, nuo šviesiai rožinės iki geltonos ir baltos spalvos. Intensyvus antocianinų biosintezės tyrimas rožėse leido nustatyti, kad jie neturi F3'5'H aktyvumo, o rozo DFR fermentas naudoja dihidrokercetiną ir dihidroksempferolą kaip substratus, bet ne dihidromyricetiną. Todėl, kurdami mėlyną rožių, mokslininkai pasirinko tokią strategiją. Pirmajame etape savo riešutų fermentą DFR išjungė rožė (tai buvo pagrįsta RNR trukdžių metodu), antruoju atveju genų, koduojančių funkcinę F3'5'H pansi (alto), buvo įvesta į rozo genomą; genas Dfr iris, kuris koduoja fermentą, kuris gamina delphinidiną iš dihidromyricetino, miokardo antocianinų pirmtako. Be to, norint užtikrinti, kad F3'5'H fermentai ir F3'H rožės nekonkurtuotų viena su kita substrato (t.y., dihidroamperolio, 7 pav.), Genotipas be F3'H aktyvumo buvo pasirinktas sukurti mėlyną rožių.

Kitas nuostabių galimybių pavyzdys, kuriuo atsiranda sukaupti flavonoidinių pigmentų biosintezės duomenys kartu su genų inžinerijos metodais, yra augalų su geltonomis gėlėmis gamyba (12 pav.).

Pav. 12 Antocianinų ir auronų biosintezės schema. Žemiau paprastųjų erškėčių gėlės, kaupiasi antocianinai (kairėje) ir transgeninių, kaupiančių auronų (dešinėje) Legenda: THC – tetrahidroksialkonas, PGH – pentahidroksihalkonas

Yra žinoma, kad dviejų tipų pigmentai turi geltoną spalvą: auronai, gamtos flavonoidinių pigmentų klasė, kurios dažomos šviesiai geltonos spalvos snapdragon ir dahlių gėlių, karotinoidų, pomidorų ir tulpių gėlių pigmentai. Nustatyta, kad liūto ryklėje sintezuojamas iš chalkonų naudojant du fermentus – 4'CGT (4'halkonglikoziltransferazę) ir AS (aureuzidino sintazę). Genetinių konstrukcijų įvedimas su genais 4'Cgt ir As liūto riešutas sodiniuose (paprastai jie turi mėlynas geles) kartu su antocianino pigmentų biosintezės slopimu sukėlė auronų kaupimąsi, todėl šio augalo gėlės pasirodė ryškiai geltonos spalvos.Panaši strategija gali būti naudojama gauti geltonos spalvos geles ne tik audinant, bet ir geraniumuose ir violetinėse spalvos ("Nacionalinės Mokslų Akademijos JAV bylos"2006, 103, 29, 11075-11080, doi: 10.1073 / pnas.0604246103).

Pateikti pavyzdžiai yra tik nedidelė dalis manipuliacijų, kurias šiandien atlieka mokslininkai su antocianinų biosinteze. Visa tai tapo įmanoma dėl tyrimo dėl pigmentų biocheminio pobūdžio, taip pat apie jų biosintezės ypatybes įvairiose augalų rūšyse tiek fermentų lygiu, tiek molekulinės-genetinės būklės lygiu. Iki šiol sukauptos žinios apie antocianino junginius atvėrė neišsenkamas galimybes kurti dekoratyvinius augalus su neįprastais dažymu, taip pat auginamos augalų rūšys, turinčios didelį antocianino pigmentų kiekį. Ir nors kai kuriose šalyse pirkėjams jau pasiekiami veisimo pasiekimai – neįprastai dažytos daržovės ir vaisiai, dekoratyviniai augalai, sukurti genų inžinerijos metodais, vis dar reti. Dėl daugybės neišspręstų sunkumų, pvz., Pakeistos spalvos paveldėjimo stabilumo, jie dar nebuvo išparduoti (išskyrus kai kurias petunijos, mėlynos rožės ir alyvmedžių girliandas).Tačiau darbas šioje srityje tęsiasi. Tikėkimės, kad netrukus bus akių malonūs "mokslo stebuklai", prieinami visiems grožio mėgėjams.

Ką dar galėtumėte skaityti apie antocianinus:
Карабанов I. A. Flavonoidai augaliniame pasaulyje. – Minskas: Urajay, 1981.
Andersen O.M., Jordheim M. Antocianinai / / Andersen O.M., Markham K.R. (Red.). Flavonoidai: chemija, biochemija ir jų taikymas. – Boca Raton, FL: CRC Press, 2006, 452-471.
Mol J., Grotewold E., Koes R. Kaip genai dažo geles ir sėklas // Trends Plant Sci. 1998, 3, 212-217.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: