Антоцианы что это простыми словами
Разноцветные «чудеса» науки
Это буйство красок вызвано антоцианами — пигментами растений
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Несколько столетий назад началась одна из самых интересных и красивых историй — история изучения цвета у растений. В ходе изучения растительных пигментов были сделаны важнейшие открытия современной биологии (законы Менделя, мобильные генетически элементы, явление РНК-интерференции). На сегодняшний день вопросы о биохимической природе пигментов растений, их биосинтезе и его регуляции достаточно подробно исследованы. А полученные данные активно применяются учёными для манипуляций с цветом у растений.
Конкурс «био/мол/текст»-2012
Эта работа заняла первое место в номинации «Приз зрительских симпатий» конкурса «био/мол/текст»-2012.
Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.
В последнее время как в российских, так и в зарубежных СМИ появляются сообщения о «чудо-фруктах», «чудо-овощах» и «чудо-цветах» с необычной окраской, которая либо не встречается у данных видов растений, либо встречается, но очень редко. Так, например, немалый фурор среди российской общественности произвела новость о создании уральскими селекционерами сорта картофеля «Чудесник» с фиолетовой окраской мякоти (рис. 1, слева).
И хотя на российском рынке фиолетовая морковь и перец являются чем-то необычным и очень редким, за рубежом овощами с фиолетовой окраской уже никого не удивить (рис. 1, в центре). Среди «чудес» науки, которые поражают воображение многих людей, можно упомянуть голубые розы (рис. 1, справа), впервые созданные в 2004 году австралийской компанией «Флориген» (Florigene) при поддержке японского холдинга «Сантори».
Рисунок 1. Растения экзотических цветов. Слева: Клубень картофеля сорта «Чудесник», выведенного сотрудниками Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства. В центре: Морковь с пурпурной окраской корнеплода на рынке в Турции. Справа: Первая в мире «синяя» роза, созданная австралийскими учеными из компании «Флориген» (Florigene) при поддержке японского холдинга «Сантори».
Приведенные примеры растений с необычной для нас окраской различных органов объединяет то, что все они были искусственно созданы человеком с помощью манипуляций с окраской, которая обусловлена растительными пигментами — антоцианами. Однако без всестороннего исследования природы антоциановой окраски и генетической составляющей биосинтеза антоциановых соединений манипуляция с окраской у различных видов растений была бы невозможна.
Что такое антоцианы? Несколько слов о химии
На сегодняшний день достаточно хорошо исследованы такие растительные пигменты, как флавоноиды, каротиноиды и беталаины; они имеют различную химическую структуру и придают растениям различную окраску. И хотя каротиноиды и беталаины тоже очень интересные пигменты, в данной статье мне бы хотелось остановиться на пигментах флавоноидной природы, поскольку именно они обусловливают огромное разнообразие оттенков цветов у растений. К данной группе относятся повсеместно распространенные среди цветковых растений антоцианы, которые не только окрашивают растения в розовые, красные, оранжевые, алые, пурпурные, голубые, темно-синие цвета, но и являются очень полезными для человека биологически активными молекулами [1]. И хотя другие флавоноидные соединения также могут участвовать в образовании цвета у растений (например, ауроны обеспечивают желтую окраску, а бесцветные флавонолы стабилизируют антоциановые пигменты), основное внимание в статье будет уделено именно антоцианам.
Итак, антоцианы — это растительные пигменты, которые могут присутствовать у растений в генеративных (цветках, пыльце) и вегетативных (стеблях, листьях, корнях) органах, а также в плодах и семенах [2]. При этом данные соединения могут либо постоянно присутствовать в клетке, либо появляться на некоторое время на определенной стадии развития растений или при действии стресса. Последнее обстоятельство навело ученых на мысль, что данные соединения нужны не только для окраски цветов и плодов для привлечения насекомых-опылителей и распространителей семян, но и для борьбы с различными типами стрессов [3].
Рисунок 2. Базовая структура антоцианидинов и антоцианов. Представлена нумерация атомов углерода.
Первые опыты по изучению антоциановых соединений и их химической природы были проведены известным английским химиком Робертом Бойлем еще в 1664 г., когда он впервые обнаружил, что под действием кислот синий цвет лепестков василька изменялся на красный, под действием же щелочи лепестки зеленели [4]. В 1913–1915 гг. немецкие биохимики Р. Вильштеттер и А. Штоль опубликовали серию работ, проливших свет на вопрос о сущности природной окраски антоцианов. Из цветков различных растений они выделили индивидуальные пигменты и описали их химическое строение. Оказалось, что антоцианы в клетках находятся преимущественно в виде гликозидов. Их агликоны (базовые молекулы-предшественники), получившие название антоцианидинов, связаны преимущественно с сахарами глюкозой, галактозой, рамнозой [4].
Все антоцианы (которых известно более 500, и число это растет [5]) имеют общий С15-углеродный скелет, образованный двумя бензольными кольцами А и В, соединенными С3-фрагментом. При этом от других флавоноидных соединений антоцианы отличаются наличием положительного заряда и двойной связи в С-кольце (рис. 2). Несмотря на огромное разнообразие антоциановых соединений, все они представляют собой производные шести основных антоцианидинов: пеларгонидина, цианидина, пеонидина, дельфинидина, петунидина и мальвидина, которые отличаются боковыми радикалами R1 и R2 (рис. 2, табл. 1). Поскольку при биосинтезе (о нем речь пойдет чуть ниже) пеонидин образуется из цианидина, а петунидин и мальвидин — из дельфинидина, можно выделить три основных антоцианидина: пеларгонидин, цианидин и дельфинидин, которые, таким образом, являются предшественниками всех антоциановых соединений.
| Антоцианидин | R1 | R2 | Цвет |
|---|---|---|---|
| цианидин (Cy) | ОН | Н | пурпурный |
| пеонидин(Pn) | ОСН3 | Н | пурпурно-синий |
| пеларгонидин (Pg) | Н | Н | красно-оранжевый |
| мальвидин (Mv) | ОСН3 | ОСН3 | пурпурный |
| дельфинидин (Dp) | ОН | ОН | синий |
| петунидин (Pt) | ОСН3 | ОН | пурпурный |
Имея общее строение С15-углеродного скелета, индивидуальные соединения в классе антоцианов выделяют на основе наличия, положения и характера модификаций основного С15-углеродного скелета. В качестве примера строения индивидуального соединения антоциана с модификациями А-, В- и С-колец на рисунке 3 приведена структура так называемого «небесно-синего антоциана», который придает растениям ипомеи голубую окраску.
Рисунок 3. Структура «небесно-синего антоциана» (C08642). Соединение выделено из Ipomoea tricolor. На рисунке отмечены: синим — пеонидин (метилированное производное цианидина); зеленым — остатки кофейной кислоты; черным — остатки глюкозы.
Какую именно окраску будет иметь растение, зависит от многих факторов:
Рисунок 4. Поперечный срез корней горчицы, росших в среде с молибденом (+Мо) и без него (−Мо). Данный вид растения накапливает антоцианы в эпидермисе корня, которые с ионами молибдена образуют комплексы, меняя при этом цвет с пурпурного на синий.
Существует такая закономерность: голубой (синий) цвет имеет дельфинидин и его производные, красно-оранжевую окраску имеют производные пеларгонидина, а пурпурно-красную — цианидина. При этом голубой цвет обусловливают гидроксильные группы (табл. 1, рис. 3), метилирование которых (присоединение группы —CH3) приводит к «покраснению» [7]. Однако следует учитывать, что одно и то же антоциановое соединение в зависимости от сдвига в величине кислотности клеточного сока может приобретать различные оттенки. Так, раствор антоцианов в кислой среде имеет красный, в нейтральной — пурпурный, а в щелочной — желто-зелёный цвет (рис. 5).
Рисунок 5. Изменение окраски раствора антоцианов, выделенных из краснокочанной капусты, при изменении рН раствора от 1 до 10 (слева направо).
Итак, чем обусловлены оттенки антоциановой пигментации, почему они разные у разных видов растений, или даже у одних и тех же растений в разных условиях произрастания, становится ясно. Вооружившись уже изложенными данными, каждый читатель может сам поэкспериментировать со своими домашними растениями, понаблюдав за изменением их окраски. Однако, если в ходе этих экспериментов вы добьетесь желаемого оттенка цвета и ваше растение выживет, то уже точно оно не передаст данный оттенок своим потомкам. Чтобы эффект был стойким, необходимо разобраться еще в одном аспекте формирования цвета, а именно в генетической составляющей биосинтеза антоцианов в клетках растений.
Молекулярно-генетические основы биосинтеза антоцианов
Данный вопрос исследован на сегодняшний день достаточно полно, чему немало поспособствовали мутанты различных видов растений с нарушенным биосинтезом антоцианов. Было установлено, что на биосинтез антоцианов (а, следовательно, и на формируемый оттенок у растения) влияют мутации в трех типах генов [8]:
Благодаря методам биохимии и молекулярной генетики все стадии биосинтеза антоцианов и осуществляющие их ферменты на сегодняшний день известны и достаточно полно исследованы (рис. 6), в том числе из многих видов растений выделены структурные и регуляторные гены биосинтеза антоцианов [8]. Знание особенностей биосинтеза антоциановых пигментов у конкретного вида растения позволяет проводить манипуляции с его окраской на генетическом уровне, создавая растения с необычной пигментацией, которые будут передавать новые признаки окраски из поколения в поколение.
Рисунок 6. Биосинтез антоцианидинов: цианидина, пеларгонидина, дельфинидина. Антоцианидины далее подвергаются реакциям модификации (гликозилированию, ацилированию, метилированию), которые осуществляются гликозилтрансферазами (GT), ацилтрансферазами (AT) и метилтрансферазами (MT). Типичная окраска, которую имеют антоцианы, образующиеся из приведенных антоцианидинов, представлена на рисунке, но она зависит от многих факторов: pH, ко-пигментации с бесцветными флавоноидами, комплексами с ионами тяжелых металлов. Заметьте, что метилированию В-кольца (синие прерывистые стрелки) подвергаются антоцианы, а не антоцианидины. Аббревиатуры: халконсинтаза (CHS); халконфлаванонизомераза (CHI); дигидрофлавонол 4-редуктаза (DFR); флаванон-3-гидроксилаза (F3H); флавоноид-3′-гидроксилаза (F3′H); флавоноид-3′,5′-гидроксилаза (F3′5′H); антоцианидинсинтаза (ANS); флавон синтаза (FNS); флавонол синтаза (FLS).
[7], рисунок с модификациями
Подходы и «горячие точки» для модификации цвета у растений
В связи с вышеизложенным «горячими точками» для модификации цвета у растений в основном являются структурные и регуляторные гены. Гены, кодирующие транспортеры, также используются для изменения цвета, но не так часто, как две другие группы генов.
Подходы, с помощью которых можно модифицировать окраску растений, делятся на два типа. К первому типу относятся подходы на основе методов селекции, позволяющие ввести гены от доноров — растений близкородственного вида, имеющих нужный признак. По славам авторов «Чудесника», именно методом селекции был создан этот сорт (рис. 1, слева). Ещё один яркий пример — это пшеница с пурпурным и голубым цветом зерна, обусловленным антоцианами (рис. 7).
Рисунок 7. Пурпурное (слева), голубое (справа) и неокрашенное (в центре) зерно пшеницы.
В дикой природе пшеница с пурпурным зерном впервые была обнаружена в Эфиопии (где, по всей видимости, и появился данный признак), а потом гены, которые обусловливают этот признак, были введены методами селекции в возделываемые сорта мягкой пшеницы [10]. Пшеница с голубым зерном в природе не встречается, но зато голубое зерно имеет родственник пшеницы — пырей. Скрещивая пырей и пшеницу и ведя отбор по данному признаку, селекционеры получили пшеницу с голубым зерном, как у пырея [10]. В вышеназванных примерах в геном пшеницы были введены регуляторные гены. То есть, пшеница и так имеет функциональный аппарат биосинтеза антоцианов (все ферменты необходимые для биосинтеза в порядке), а, вводя методами селекции регуляторные гены от родственных видов, у пшеницы запускают машину биосинтеза антоцианов именно в зерне.
Схожий пример, но уже с использованием второй группы методов манипуляции с окраской — методов генетической инженерии: были получены томаты с повышенным содержанием антоцианов [11]. В норме спелые томаты содержат каротиноиды, в том числе жирорастворимый антиоксидант ликопин; из флавоноидов в них есть небольшое количество нарингенина халкона (2′,4′,6′,4-тетрагидроксихалкон, см. рис. 6) и рутина (гликозированный 5,7,3′,4′-тетрагидрооксифлавонол). Вводя в растения томата генетическую конструкцию, содержащую регуляторные гены биосинтеза антоцианов львиного зева Ros1 и Del под управлением промотора E8, активного в плодах томата, авторам удалось получить томаты с высоким содержанием антоцианов (рис. 8). Таким образом, запустить «машину» биосинтеза антоцианов в определенной ткани можно посредством манипуляции с регуляторными генами, которую проводят либо методами селекции, либо методами генетической инженерии.
Рисунок 8. Томаты с повышенным содержанием антоцианов в плодах, полученные методом генетической инженерии
Пример использование генетической инженерии, для манипуляций с окраской за счет структурных генов биосинтеза антоцианов — пионерская работа, проведенная на петунии [12]. В этой работе впервые в истории были применены методы генетической инженерии с целью изменения окраски растений. В норме растения петунии вовсе не содержат пигментов, производных от пеларгонидина (рис. 6). Это связано с тем, что для фермента DFR (дигидрофлавонол 4-редуктазы) петунии самым предпочтительным субстратом является дигидромирицетин, менее предпочтительным — дигидрокверцетин, а дигидрокемпферол вовсе не используется в качестве субстрата (рис. 6).
Совершенно другая картина субстратной специфичности фермента DFR наблюдается у кукурузы, DFR которой предпочтительнее использует дигидрокемпферол в качестве субстрата [13]. Вооружившись этими знаниями, Мейер с коллегами использовали мутантную линию петунии, у которой отсутствовали функциональные ферменты F3′Н и F3′5′H. Глядя на рисунок 6, нетрудно заметить, что данная мутантная линия накапливала дигидрокемпферол, который не является субстратом для DFR петунии, но зато является субстратом для DFR кукурузы. Введя в мутантную линию генетическую конструкцию, содержащую ген Dfr кукурузы, Мейер получил петунию с несвойственной для неё кирпично-красной окраской цветков (рис. 9).
Рисунок 9. Петунии. а — Мутантная линия петунии с бледно-розовой окраской венчика из-за присутствия следовых количеств антоцианов — производных цианидина и дельфинидина. б — Генетически модифицированная петуния, накапливающая антоцианы — производные пеларгонидина.
Однако не всегда у исследователей под руками есть такие удобные мутанты с отсутствием какой-либо ферментативной активности, поэтому наиболее часто при модификации окраски растений приходится её «выключать» и «включать» другую, требуемую активность. Именно такой подход был реализован при создании первой в мире розы с синей окраской бутонов (рис. 1, справа), схема создания которой приведена на рисунке 10.
Рисунок 10. Схема создания синей розы.
У роз, созданных усилиями селекционеров, окраска лепестков варьирует от ярко-красных и нежно-розовых до жёлтых и белоснежных. Интенсивное изучение биосинтеза антоцианов у роз позволило установить, что они не имеют F3′5′H-активности, а фермент DFR розы использует в качестве субстратов дигидрокверцетин и дигидрокемпферол, но не дигидромирицетин (рис. 6). Поэтому при создании синей розы учёные выбрали следующую стратегию.
При этом, чтобы F3′5′H анютиных глазок и F3′H розы не конкурировали друг с другом за субстрат (оба фермента используют в качестве субстрата дигидрокемпферол, рис. 6), для создания синей розы был выбран доступный генотип с отсутствием F3′H активности.
Еще одни яркий пример использования накопленных данных о биосинтезе флавоноидных пигментов с целью создания растений с несвойственной для них окраской — это получение методами генетической инженерии растений торении с жёлтой окраской цветков (рис. 11).
Рисунок 11. Схема биосинтеза антоцианов и ауронов. Снизу приведены цветки обычной, накаливающие антоцианы (слева), и трансгенной торении, накапливающие ауроны (справа). THC — тетрагидроксихалкон, PHC — пентагидроксихалкон.
[14], рисунок с модификациями
Известно, что жёлтую окраску имеют два типа пигментов: ауроны (класс пигментов флавоноидной природы, которые обусловливают яркую жёлтую окраску цветков львиного зева и георгин), и каротиноиды (пигменты цветков томатов и тюльпанов). В ходе анализа биосинтеза ауронов у львиного зева было установлено, что данные пигменты синтезируются из халконов посредством двух ферментов — 4′CGT (4′-халконгликозилтрансферазы) и AS (ауреузидинсинтазы) (рис. 11). Введение генетических конструкций с генами 4′Cgt и As львиного зева в растения торении, в норме имеющие синюю окраску цветков, совместно с ингибированием биосинтеза антоциановых пигментов привело к накоплению ауровнов и, следовательно, к яркой жёлтой окраске цветков (рис. 11). (Читатель самостоятельно может предположить, на уровне работы каких ферментов может быть заблокирован биосинтез антоцианов в этом случае.) Разработанная специалистами стратегия может быть использована для получения желтой окраски цветков не только у торении, но и у герани и фиалки [14].
Приведенные примеры — это лишь малая доля того, какие манипуляции ученые проводят с тем, что им очень хорошо известно — с биосинтезом антоцианов.
Заключение
Как видно, огромному успеху в манипуляции с окраской у растений способствует интенсивное исследование биохимической природы пигментов, а также особенностей их биосинтеза у различных видов растений — как на уровне ферментов, так и на молекулярно-генетическом уровне. Накопленный к настоящему времени багаж знаний об антоциановых соединениях открыл неисчерпаемые возможности для создания декоративных растений с необычной окраской, а также культурных видов растений с повышенным содержанием антоциановых пигментов. И хотя достижения селекции — необычно окрашенные овощи и фрукты — уже сейчас доступны покупателям в ряде стран, декоративные растения, созданные методами генетической инженерии, в большинстве своем на рынке являются ещё достаточно редкими. Дело в том, что из-за ряда нерешенных трудностей — таких, например, как стабильность наследования модифицированной окраски, — они ещё не коммерциализированы (за исключением некоторых сортов петунии, синей розы, лиловой гвоздики). Однако работа в этом направлении продолжается. Будем надеяться, что в скором времени появятся радующие глаз «чудеса» науки, которые будут доступны всем любителям прекрасного.
Антоцианы: секреты цвета
Несколько столетий назад началась одна из самых интересных и красивых историй в биологической науке — история изучения цвета у растений. Растительные пигменты антоцианы сыграли важную роль в открытии законов Менделя, мобильных генетических элементов, РНК-интерференции — все эти открытия были сделаны благодаря наблюдениям за окраской растений. На сегодняшний день биохимическая природа антоцианов, их биосинтез и его регуляция достаточно подробно исследованы. Полученные данные позволяют создавать необычно окрашенные сорта декоративных растений и сельскохозяйственных культур. Голубая роза — теперь уже не сказка.
Что такое антоцианы? Немного о химии
Последнее время в российских и зарубежных СМИ часто появляются сообщения о чудо-фруктах, чудо-овощах и чудо-цветах с необычной окраской, которая или не встречается у данных видов растений, или встречается, но очень редко. Фурор среди российской общественности недавно произвела новость о новом сорте картофеля «Чудесник» с фиолетовой окраской мякоти, созданном селекционерами из Уральского НИИ сельского хозяйства (рис. 1). В числе овощей с непривычной для нас фиолетовой окраской можно также упомянуть капусту, перец, морковь, цветную капусту. Заметим, что все допущенные к выращиванию в коммерческих целях сорта фиолетовых овощей, фруктов и злаков были созданы в ходе селекционной работы, это не генномодифицированные сорта.
Еще один пример — голубая роза, мечта не одного поколения селекционеров и садоводов. До 2004 года синие бутоны у розы можно было получить лишь с помощью химических красителей, например индиго, которые впрыскивали в корни белой розы (см. «Химию и жизнь», 1989, №6). В 2004 году методами генетической инженерии впервые в мире была получена настоящая голубая роза (рис. 2).
Эти и другие смелые манипуляции с окраской, которые пресса называет «чудесами», стали возможными благодаря всестороннему исследованию природы антоциановой пигментации и генетической составляющей биосинтеза антоциановых соединений.
Сегодня достаточно хорошо изучены такие растительные пигменты, как флавоноиды, каротиноиды и беталаины. Всем известны каротиноиды моркови, а к беталаинам относятся, например, пигменты свеклы. Группа флавоноидных соединений вносит наибольший вклад в разнообразие оттенков цветов у растений. К данной группе относятся желтые ауроны, халконы и флавонолы, а также главные герои этой статьи — антоцианы, которые окрашивают растения в розовые, красные, оранжевые, алые, пурпурные, голубые, темно-синие цвета. Кстати, антоцианы не только красивы, но и очень полезны для человека: как выяснилось в ходе их изучения, это биологически активные молекулы.
Итак, антоцианы — растительные пигменты, которые могут присутствовать у растений как в генеративных органах (цветках, пыльце), так и в вегетативных (стеблях, листьях, корнях), а также в плодах и семенах. Они содержатся в клетке постоянно либо появляются на определенной стадии развития растений или под действием стресса. Последнее обстоятельство навело ученых на мысль, что антоцианы нужны не только для того, чтобы яркой окраской привлекать насекомых-опылителей и распространителей семян, но и для борьбы с различными типами стрессов.
Первые опыты по изучению антоциановых соединений и их химической природы провел известный английский химик Роберт Бойль. Еще в 1664 году он впервые обнаружил, что под действием кислот синий цвет лепестков василька изменяется на красный, под действием же щелочи лепестки зеленеют. В 1913–1915 годах немецкий биохимик Рихард Вильштеттер и его швейцарский коллега Артур Штоль опубликовали серию работ, посвященных антоцианам. Из цветков различных растений они выделили индивидуальные пигменты и описали их химическое строение. Оказалось, что антоцианы в клетках находятся преимущественно в виде гликозидов. Их агликоны (базовые молекулы-предшественники), получившие название антоцианидинов, связаны преимущественно с сахарами глюкозой, галактозой, рамнозой. «За исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла» в 1915 году Рихард Вильштеттер был удостоен Нобелевской премии по химии.
Известно более 500 индивидуальных антоциановых соединений, и число их постоянно увеличивается. Все они имеют С15-углеродный скелет — два бензольных кольца А и В, соединенные С3-фрагментом, который с атомом кислорода образует γ-пироновое кольцо (С-кольцо, рис. 3). При этом от других флавоноидных соединений антоцианы отличаются наличием положительного заряда и двойной связи в С-кольце.
При всем их огромном многообразии антоциановые соединения — производные лишь шести основных антоцианидинов:пеларгонидина, цианидина, пеонидина, дельфинидина, петунидина и мальвидина, которые отличаются боковыми радикалами R1 и R2 (рис. 3, таблица). Поскольку при биосинтезе пеонидин образуется из цианидина, а петунидин и мальвидин — из дельфинидина, можно выделить три основных антоцианидина: пеларгонидин, цианидин и дельфинидин — это и есть предшественники всех антоциановых соединений.
Модификации основного С15-углеродного скелета создают индивидуальные соединения из класса антоцианов. В качестве примера на рис. 4 приведена структура так называемого небесно-синего антоциана, который окрашивает цветки вьюнка ипомеи в голубой цвет.
Возможны варианты
В какой цвет окрасят растение антоцианы, зависит от многих факторов. В первую очередь окраску определяют структура и концентрация антоцианов (она повышается в условиях стресса). Голубой или синий цвет имеют дельфинидин и его производные, красно-оранжевый — производные пеларгонидина, а пурпурно-красную — цианидина (рис. 5). При этом голубой цвет обусловливают гидроксильные группы (см. таблицу и рис. 4), а их метилирование, то есть присоединение CH3-групп, приводит к покраснению («International Journal of Molecular Sciences», 2009, 10, 5350–5369, doi:10.3390/ijms10125350).
Кроме того, пигментация зависит от pH в вакуолях, где накапливаются антоциановые соединения. Одно и то же соединение в зависимости от сдвига в величине кислотности клеточного сока может приобретать различные оттенки. Так, раствор антоцианов в кислой среде имеет красный цвет, в нейтральной — фиолетовый, а в щелочной — желто-зеленый.
Однако pH в вакуолях может варьировать от 4 до 6, и, следовательно, появление синей окраски в большинстве случаев нельзя объяснить влиянием pH среды. Поэтому были проведены дополнительные исследования, которые показали, что антоцианы в клетках растений присутствуют не в виде свободных молекул, а в виде комплексов с ионами металлов, которые как раз и имеют синюю окраску («Nature Product Reports», 2009, 26, 884–915). Комплексы антоцианов с ионами алюминия, железа, магния, молибдена, вольфрама, стабилизированные копигментами (в основном флавонами и флавонолами), называются металлоантоцианинами (рис. 6).
Локализация антоцианов в тканях растений и форма клеток эпидермиса тоже имеют значение, поскольку определяют количество света, достигающего пигментов, а следовательно, интенсивность окраски. Показано, что цветки львиного зева с эпидермальными клетками конической формы окрашены ярче, чем цветки мутантных растений, клетки эпидермиса которых не могут принять такую форму, хотя и у тех и других растений антоцианы образуются в одном и том же количестве («Nature», 1994, 369, 6482, 661–664).
Итак, мы рассказали, чем обусловлены оттенки антоциановой пигментации, почему они разные у разных видов или даже у одних и тех же растений в разных условиях. Читатель может сам поэкспериментировать со своими домашними растениями, понаблюдав за изменением их окрасок. Возможно, в ходе этих экспериментов вы добьетесь желаемого оттенка цвета и ваше растение выживет, но оно уж точно не передаст этот оттенок своим потомкам. Чтобы эффект был наследуемым, необходимо разобраться еще в одном аспекте формирования цвета, а именно в генетической составляющей биосинтеза антоцианов.
Гены синего и лилового
Молекулярно-генетические основы биосинтеза антоцианов изучены достаточно полно, чему немало поспособствовали мутанты различных видов растений с измененной окраской. На биосинтез антоцианов, а следовательно, и на окраску влияют мутации в трех типах генов. Первый — гены, которые кодируют ферменты, участвующие в цепи биохимических превращений (структурные гены). Второй — гены, определяющие транскрипцию структурных генов в нужное время в нужном месте (регуляторные гены). Наконец, третий — гены транспортеров, переносящих антоцианы в вакуоли. (Известно, что антоцианы в цитоплазме окисляются и формируют агрегаты бронзового цвета, токсичные для клеток растений («Nature», 1995, 375, 6530, 397–400).)
На сегодняшний день все стадии биосинтеза антоцианов и осуществляющие их ферменты известны и подробно исследованы методами биохимии и молекулярной генетики (рис. 7). Из многих видов растений выделены структурные и регуляторные гены биосинтеза антоцианов. Знание особенностей биосинтеза антоциановых пигментов у конкретного вида растения позволяет манипулировать его окраской на генетическом уровне, создавая растения с необычной пигментацией, которая будет передаваться из поколения в поколение.
Селекция и генные модификации
«Горячие точки» для модификации цвета у растений — это главным образом структурные и регуляторные гены. Методы, с помощью которых можно модифицировать окраску растений, делятся на два типа. К первому относятся методы селекции. Выбранный вид растения путем скрещивания получает гены от доноров — растений близкородственного вида, имеющих нужный признак. Сорт картофеля «Чудесник», по словам его автора, заведующей отделом селекции картофеля ГНУ Уральского НИИ СХ, доктора сельскохозяйственных наук Е. П. Шаниной, был создан именно методом селекции.
Еще один яркий пример — это пшеница с пурпурным и голубым цветом зерна, обусловленным антоцианами (рис. 8). В дикой природе пшеницу с пурпурным зерном впервые обнаружили в Эфиопии, где, по всей видимости, и появился данный признак, а затем отвечающие за него гены удалось ввести методами селекции в возделываемые сорта мягкой пшеницы. Пшеница с голубым зерном в природе не встречается, но зато голубое зерно имеет родственник пшеницы — пырей. Скрещивая пырей и пшеницу и ведя отбор по данному признаку, селекционеры получили пшеницу с голубым зерном («Euphytica», 1991, 56, 243–258).
В этих примерах в геном пшеницы были введены регуляторные гены. Иными словами, пшеница имеет функциональный аппарат биосинтеза антоцианов (все ферменты, необходимые для биосинтеза, у нее в порядке). Регуляторные гены, полученные от родственных видов, только запускают у пшеницы «машину биосинтеза антоцианов» именно в зерне.
Сходный пример, но уже с использованием второй группы методов манипуляции с окраской — методов генетической инженерии — это получение томатов с повышенным содержанием антоцианов («Nature Biotechnology», 2008, 26, 1301–1308, doi:10.1038/nbt.1506). В норме спелые томаты содержат каротиноиды, в том числе жирорастворимый антиоксидант ликопин, из флавоноидов у них были обнаружены в небольших количествах нарингенин халкон (2′,4′,6′,4-тетрагидроксихалкон, см. рис. 8) и рутин (гликозированный 5,7,3′,4′-тетрагидроксифлавонол). Вводя в растения генетическую конструкцию, содержащую регуляторные гены биосинтеза антоцианов львиного зева Ros1 и Del под управлением промотора E8, активного в плодах томата, международная группа ученых получила помидоры с высоким содержанием антоцианов — интенсивного лилового цвета (рис. 9).
Все это были примеры манипуляций с регуляторными генами. Пример использования генетической инженерии изменения окраски за счет структурных генов биосинтеза антоцианов — пионерская работа, проведенная в 80-е годы немецкими учеными на петунии («Nature», 1987, 330, 677–678, doi:10.1038/330677a0). Впервые в истории генно-инженерными методами была изменена окраска растения.
В норме растение петунии вовсе не содержит пигментов, производных от пеларгонидина. Чтобы разобраться, почему так происходит, вернемся к рис. 7. Для фермента DFR (дигидрофлавонол-4-редуктазы) петунии самый предпочтительный субстрат — дигидромирицетин, менее предпочтительный — дигидрокверцетин, а дигидрокемпферол вовсе не используется в качестве субстрата. Совершенно другая картина субстратной специфичности этого фермента у кукурузы, DFR которой «предпочитает» как раз дигидрокемпферол. Вооружившись этими знаниями, Мейер использовал мутантную линию петунии, у которой отсутствовали ферменты F3’H и F3’5’H. Глядя на рис. 7, нетрудно догадаться, что данная мутантная линия накапливала дигидрокемпферол. А что произойдет, если ввести в мутантную линию генетическую конструкцию, содержащую ген Dfr кукурузы? В клетках петунии появится фермент, который, в отличие от «родного» DFR петунии, способен превращать дигидрокемпферол в пеларгонидин. Именно таким способом исследователи получили петунию с нехарактерной для нее кирпично-красной окраской цветков (рис. 10).
Рис. 10. Слева мутантная линия петунии с бледно-розовой окраской венчика из-за присутствия следовых количеств антоцианов — производных цианидина и дельфинидина, справа — генетически модифицированное растение петунии, накапливающее антоцианы — производные пеларгонидина («Nature», 1987, 330, 677–678)
Однако не всегда у исследователей под рукой есть такие удобные мутанты, поэтому чаще всего при модификации окраски растений приходится «выключать» ненужную ферментативную активность и «включать» ту, которая нужна. Именно такой подход был применен при создании первой в мире розы с голубой окраской бутонов (рис. 2, 11).
У роз, созданных усилиями селекционеров, окраска лепестков варьирует от ярко-красных и нежно-розовых до желтых и белоснежных. Интенсивное изучение биосинтеза антоцианов у роз позволило установить, что они не имеют F3’5’H активности, а фермент DFR розы использует в качестве субстратов дигидрокверцетин и дигидрокемпферол, но не дигидромирицетин. Поэтому при создании голубой розы ученые выбрали следующую стратегию. На первом этапе у розы «отключили» ее собственный фермент DFR (для этого применялся подход, основанный на РНК-интерференции), на втором — в геном розы ввели ген, кодирующий функциональный F3’5’H анютиных глазок (виолы), на третьем добавили ген Dfr ириса, который кодирует фермент, производящий из дигидромирицетина дельфинидин — предшественник антоцианов с синей окраской. При этом чтобы ферменты F3’5’H анютиных глазок и F3’H розы не конкурировали друг с другом за субстрат (то есть за дигидрокемпферол, рис. 7), для создания голубой розы был выбран генотип с отсутствием F3’H активности.
Еще один пример удивительных возможностей, которые открывают перед нами накопленные данные о биосинтезе флавоноидных пигментов в сочетании с методами генетической инженерии, — это получение растений торении с желтыми цветками (рис. 12).
Известно, что желтую окраску имеют два типа пигментов: ауроны, класс пигментов флавоноидной природы, которые окрашивают в ярко-желтый цветки львиного зева и георгин, и каротиноиды, пигменты цветков томатов и тюльпанов. Было установлено, что ауроны у львиного зева синтезируются из халконов при посредстве двух ферментов — 4’CGT (4’халконгликозилтрансферазы) и AS (ауреузидинсинтазы). Введение генетических конструкций с генами 4’Cgt и As львиного зева в растения торении (в норме цветки у них синие) совместно с ингибированием биосинтеза антоциановых пигментов привело к накоплению ауронов, и, следовательно, цветки такого растения оказались ярко-желтыми. Подобную стратегию можно использовать для получения желтой окраски цветков не только у торении, но также у герани и фиалки («Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2006, 103, 29, 11075–11080, doi:10.1073/pnas.0604246103).
Приведенные примеры — это лишь малая доля манипуляций, которые ученые сегодня производят с биосинтезом антоцианов. Все это стало возможным благодаря исследованиям биохимической природы пигментов, а также особенностей их биосинтеза у различных видов растений, как на уровне ферментов, так и на молекулярно-генетическом уровне. Накопленный к настоящему времени багаж знаний об антоциановых соединениях открыл неисчерпаемые возможности для создания декоративных растений с необычной окраской, а также культурных видов растений с повышенным содержанием антоциановых пигментов. И хотя достижения селекции — необычно окрашенные овощи и фрукты — уже сейчас доступны покупателям в некоторых странах, декоративные растения, созданные методами генетической инженерии, пока еще редки. Из-за ряда нерешенных трудностей, таких, например, как стабильность наследования модифицированной окраски, они еще не коммерциализированы (за исключением некоторых сортов петунии, голубой розы, лиловой гвоздики). Однако работа в этом направлении продолжается. Будем надеяться, что в скором времени появятся радующие глаз «чудеса науки», доступные всем любителям прекрасного.