Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
«В мире науки»
«Знание — сила»
«Квант»
«Квантик»
«Кот Шрёдингера»
«Наука и жизнь»
«Наука из первых рук»
«Популярная механика»
«Потенциал»: Химия. Биология. Медицина
«Потенциал»: Математика. Физика. Информатика
«Природа»
«Троицкий вариант»
«Химия и жизнь»
«Что нового...»
«Экология и жизнь»
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Архив журнала «Химия и жизнь» за 40 лет!

На 4 CD или 1 DVD





Главная / Библиотека / В популярных журналах / «Химия и жизнь» версия для печати

Антоцианы: секреты цвета

О. Ю. Шоева,
кандидат биологических наук
«Химия и жизнь» №1, 2013

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.

Фотобанк Лори. Фото: Е. Блохина

Что такое антоцианы? Немного о химии

Рис. 1. Картофель сорта «Чудесник», который вывели уральские селекционеры (фото предоставлено Е.П. Шаниной)
Рис. 1. Картофель сорта «Чудесник», который вывели уральские селекционеры (фото предоставлено Е. П. Шаниной)

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.

Рис. 2. Первая в мире голубая роза, созданная австралийскими учеными из компании «Флориген» при поддержке японского холдинга «Сантори»
Рис. 2. Первая в мире голубая роза, созданная австралийскими учеными из компании «Флориген» при поддержке японского холдинга «Сантори»

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.

Рис. 3. Базовая структура антоцианидинов и антоцианов. Атомы углерода пронумерованы
Рис. 3. Базовая структура антоцианидинов и антоцианов. Атомы углерода пронумерованы

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.

Рис. 4. Структура небесно-синего антоциана. Соединение выделено из вьюнка Ipomoea tricolor. Синим отмечены пеонидин (метилированное производное цианидина); зеленым — остатки кофейной кислоты; черным — остатки глюкозы. \nРисунок: «Schroeder Group» с сайта www.bblogk.uni-freiburg.de. Фото: Е. Russell
Рис. 4. Структура небесно-синего антоциана. Соединение выделено из вьюнка Ipomoea tricolor. Синим отмечены пеонидин (метилированное производное цианидина); зеленым — остатки кофейной кислоты; черным — остатки глюкозы.
Рисунок: «Schroeder Group» с сайта www.bblogk.uni-freiburg.de. Фото: Е. Russell

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).

Рис. 5. Цветки различных сортов эустомы с преобладанием пигментов — производных пеларгонидина (слева), цианидина (в центре) и дельфинидина (справа). Из книги «Anthocyanins: biosynthesis, functions, and applications» (Springer, 2008)
Рис. 5. Цветки различных сортов эустомы с преобладанием пигментов — производных пеларгонидина (слева), цианидина (в центре) и дельфинидина (справа). Из книги «Anthocyanins: biosynthesis, functions, and applications» (Springer, 2008)

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).

Рис. 6. Схема образования металлоантоцианина из шести молекул антоциана, флавона и двух ионов металла. Справа приведена пространственная структура протоцианина, выделенного из лепестков василька (из: «Natural Products Reports», 2009, 26, 884–915)
Рис. 6. Схема образования металлоантоцианина из шести молекул антоциана, флавона и двух ионов металла. Справа приведена пространственная структура протоцианина, выделенного из лепестков василька (из: «Natural Products Reports», 2009, 26, 884–915)

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.

Рис. 7. Биосинтез антоцианидинов: цианидина, пеларгонидина, дельфинидина. Антоцианидины далее подвергаются реакциям модификации — гликозилированию, ацилированию, метилированию, которые осуществляют гликозилтрансферазы (GT), ацилтрансферазы (AT) и метилтрансферазы (MT). Типичная окраска, которую имеют антоцианы, образующиеся из приведенных антоцианидинов, представлена на рисунке, но она зависит от многих факторов: pH, копигментации 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\&\#39\;-гидроксилаза (F3\&\#39\;H); флавоноид-3\&\#39\;,5\&\#39\;-гидроксилаза (F3\&\#39\;5\&\#39\;H); антоцианидинсинтаза (ANS); флавонсинтаза (FNS); флавонолсинтаза (FLS) (по: «International Journal of Molecular Sciences», 2009, 10, 5352)
Рис. 7. Биосинтез антоцианидинов: цианидина, пеларгонидина, дельфинидина. Антоцианидины далее подвергаются реакциям модификации — гликозилированию, ацилированию, метилированию, которые осуществляют гликозилтрансферазы (GT), ацилтрансферазы (AT) и метилтрансферазы (MT). Типичная окраска, которую имеют антоцианы, образующиеся из приведенных антоцианидинов, представлена на рисунке, но она зависит от многих факторов: pH, копигментации 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); флавонсинтаза (FNS); флавонолсинтаза (FLS) (по: «International Journal of Molecular Sciences», 2009, 10, 5352)

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).

Рис. 8. Пурпурное (слева), голубое (справа) и неокрашенное (в центре) зерно пшеницы. «Metro News» с сайта metronews.ca
Рис. 8. Пурпурное (слева), голубое (справа) и неокрашенное (в центре) зерно пшеницы. «Metro News» с сайта metronews.ca

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.

Рис. 9. Томаты с повышенным содержанием антоцианов в плодах, полученные методом генетической инженерии
Рис. 9. Томаты с повышенным содержанием антоцианов в плодах, полученные методом генетической инженерии

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)

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).

Рис. 11. Схема создания голубой розы. У обычных роз не образуется дигидромирицетин, поэтому в их окраске не бывает оттенков синего. У голубой розы, напротив, отключено образование красных и оранжевых пигментов
Рис. 11. Схема создания голубой розы. У обычных роз не образуется дигидромирицетин, поэтому в их окраске не бывает оттенков синего. У голубой розы, напротив, отключено образование красных и оранжевых пигментов

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).

Рис. 12. Схема биосинтеза антоцианов и ауронов. Снизу цветки торении обычной, накапливающие антоцианы (слева), и трансгенной, накапливающие ауроны (справа). Обозначения: ТГХ — тетрагидроксихалкон, ПГХ — пентагидроксихалкон
Рис. 12. Схема биосинтеза антоцианов и ауронов. Снизу цветки торении обычной, накапливающие антоцианы (слева), и трансгенной, накапливающие ауроны (справа). Обозначения: ТГХ — тетрагидроксихалкон, ПГХ — пентагидроксихалкон

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.

Что еще можно почитать об антоцианах:
Карабанов И.А. Флавоноиды в мире растений. — Минск: Ураджай, 1981.
Andersen O.M., Jordheim M. The anthocyanins // Andersen O.M., Markham K.R. (Eds.). Flavonoids: chemistry, biochemistry and applications. — Boca Raton, FL: CRC Press, 2006, 452–471.
Mol J., Grotewold E., Koes R. How genes paint flowers and seeds // Trends Plant Sci. 1998, 3, 212–217.


Комментарии (1)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия