Секреты темного зерна
Как известно, внешний вид играет важную роль для многих организмов, не только для человека. Таким образом, что, возможно, более важно, животные используют цвет для маскировки или отпугивания врагов, а растения могут привлекать насекомых-опылителей. Кроме того, пигменты, которые придают определенный цвет частям тела организмов, выполняют и другие важные функции. Этим объясняется интерес ученых к механизмам производства и накопления пигментов и факторам, влияющим на эти процессы. Исследование образования черного пигмента, меланина, в растениях было недавно опубликовано в журнале Scientific Reports. Для получения дополнительной информации читайте интервью с Олесей Шоевой, старшим научным сотрудником и кандидатом биологических наук Исследовательского центра IRCG СО РАН.
— Олеся, в какой степени растения характеризуются наличием меланина?
— Меланин — довольно распространенный пигмент в растительном царстве. Однако их присутствие в семенной оболочке было продемонстрировано лишь для нескольких видов растений из-за трудностей с их химической идентификацией. Еще в 1960-х годах эти пигменты были выделены из арбуза и семян подсолнечника. При этом было показано, что они обладают химическими свойствами, аналогичными свойствам животного меланина, но в отличие от животного меланина, который является производным тирозина, растительный меланин является производным катехола. Позднее свойства меланина были продемонстрированы в черных пигментах, содержащихся в винограде, чесноке, помидорах, утренней славе и семенах каштана. В зерновых культурах меланин был обнаружен в зернах с темной корой. Наше исследование показало, что черный пигмент из семян ячменя также является меланином.
— Что известно о роли меланина в растениях?
— Считается, что он имеет адаптивное значение, обеспечивая прочность семенной оболочки и защищая ее от повреждений. Например, семена подсолнечника с черной кожицей менее восприимчивы к повреждению личинками моли, чем семена с белой кожицей. Также сообщается, что темно-кожурные сорта ячменя менее восприимчивы к фузариозу, чем темно-кожурные сорта. Генотипы эмбака с темной цветочной чешуей также более устойчивы к заболеванию.
В Сирии местные сорта черного ячменя были выведены в более засушливых районах страны по сравнению с сортами белого ячменя, адаптированными к более мягким условиям выращивания. Сравнение этих сортов показало, что черный жерновой ячмень был более устойчив к холоду и засухе и созревал быстрее, чем белый жерновой ячмень.
В литературе также имеются сообщения о влиянии черного пигмента на скорость прорастания. Например, скорость прорастания семян томата, содержащих пигмент меланин, в воде и под воздействием гибберелловой кислоты была ниже, чем у семян дикого типа, в которых пигмент меланин не был обнаружен.
— Всегда ли темный цвет зерна обусловлен содержанием меланина?
— Не всегда, но наличие меланина и антоцианов в кожуре может даже привести к тому, что семена будут темнее. Однако эти соединения различаются по своей природе. Меланин представляет собой полифенольное соединение с неправильной структурой, в то время как антоцианы являются одиночными соединениями с установленной структурой.
— Как вы думаете, изучили ли вы и ваши коллеги механизмы образования и накопления меланина в растениях?
— Да, это так. У нас было две уникальные генетически родственные линии, которые отличались друг от друга небольшим участком на первой хромосоме ячменя, содержащим ген, контролирующий формирование черного цвета колоса. На первом этапе был проведен химический анализ черного пигмента, подтвердивший гипотезу о том, что черный пигмент — это меланин. Далее наблюдали за процессом роста цветка, чтобы определить стадию, на которой начинается накопление пигмента, и динамику накопления пигмента. Черный цвет впервые появился в верхнем ядре колоса при поздней молочной спелости. По мере созревания он распространяется по всему уху до основания ушной раковины. Было обнаружено, что черный пигмент сначала появляется в околоплоднике, который защищает ядро. Оптическая микроскопия показала, что меланин истощает хлоропласты (фотосинтетические органеллы, характерные для растений). Электронная микроскопия также показала, что целостность пластид лучше сохраняется в окрашенных клетках околоплодника злаков, чем в неокрашенных. Таким образом, впервые было показано, что у растений, как и у животных, синтез меланина происходит в отдельном компартменте клетки. Это, по-видимому, общий принцип образования меланина у этих групп организмов.
— Есть ли какие-либо прикладные элементы в этих результатах?
— На данном этапе уместно говорить о важности наших результатов для фундаментальной науки. Они создают основу для дальнейших исследований процесса образования меланина в растениях. Однако это исследование важно с точки зрения повышения толерантности культурных сортов ячменя, так как состав пигментов меланина имеет адаптивное значение.
— Какова была роль сотрудников МЦГИ в проекте и кто еще принимал в нем участие?
— Исследование проводилось учеными из различных научных организаций России и Германии. В течение многих лет ICIG проводит исследования по окраске зерновых культур. И, конечно, малоизвестная черная окраска также привлекла внимание. Мы уже опубликовали несколько работ по меланиновой пигментации ячменя и, несомненно, являемся лидером в этой области. Елена Константиновна Фресткина, доктор биологических наук, профессор Российской академии наук, имени Н. И. Вавилова, директор ВИР, инициировала исследования по черному ячменю и выиграла грант Российского научного фонда на их проведение. Фенотипирование и выделение хлоропластов из черных и белых линий мелких колосьев проводила Анастасия Юрьевна Глаголева. Анастасия Юрьевна Глаголева является аспирантом нашего института и младшим научным сотрудником в рамках диссертации, посвященной изучению молекулярно-генетических механизмов. Черный цвет колосьев ячменя. Цитологические исследования также были проведены Сергеем Р. Мурсалимовым (кандидат биологических наук, член IRCG). Химический анализ пигментов проводила Наталья Владимировна Грачева, доктор технических наук, доцент факультета промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Волгоградского государственного технического университета. Данное исследование было бы невозможно без исходного материала, на котором оно основано. Он был предоставлен д-ром Андреасом Бёрнером из Института генетики растений и исследования сельскохозяйственных культур имени Лейбница (Гётерслебен, Германия). Я принимал участие в анализе результатов и подготовке их к публикации.
— Каковы ваши дальнейшие планы работы в этой области?
…Мы активно продолжаем исследования пигментации меланина в ячмене. В настоящее время мы работаем над пониманием молекулярной функции генов, которые определяют наличие или отсутствие этого типа окраски у ячменя. Мы также хотим понять, как именно накопление меланиновых пигментов связано с хлоропластами и фотосинтезом. Кроме того, мы активно исследуем толерантность черного ячменя к различным типам стресса с помощью точных генетических моделей близких изогенных линий, на которых была выполнена представленная работа.
