Новости

10 июля, 2020 17:05

Ученые обобщили данные изучения меланина у растений

В своем обзоре, опубликованном в Frontiers in Plant Science, авторы — исследователи ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Всероссийского института растениеводства им. Н. И. Вавилова — обобщили современные данные о функциях, локализации и молекулярно-генетическом контроле образования меланина в семенах. Специалисты отмечают, что изучение процесса меланогенеза в растениях имеет не только фундаментальную научную, но и вполне прикладную составляющие. Этой же тематике был посвящен один из докладов на XII международной мультиконференции «Биоинформатика и системная биология» (BGRS/SB-2020).
Источник: Anastasiia Y. Glagoleva et al. / Front. Plant Sci., 2020
Первый ряд (слева направо): каштан и овес, второй ряд: подсолнечник, арбуз и ячмень, третий ряд: гречиха, виноград и ипомея, четвертый ряд: кунжут, рапс и черная горчица. Источник: Anastasiia Y. Glagoleva et al. / Front. Plant Sci., 2020
3 / 4
Источник: Anastasiia Y. Glagoleva et al. / Front. Plant Sci., 2020
Первый ряд (слева направо): каштан и овес, второй ряд: подсолнечник, арбуз и ячмень, третий ряд: гречиха, виноград и ипомея, четвертый ряд: кунжут, рапс и черная горчица. Источник: Anastasiia Y. Glagoleva et al. / Front. Plant Sci., 2020

Меланинами называют группу пигментов, которые присутствуют во всех царствах живых организмов. В частности, именно его считают причиной окраски многих семян в черный и коричневый цвет, что является довольно распространенным явлением. Однако, отмечают ученые, все не так просто.

«Мы хорошо знаем, как образуется и какие функции выполняет меланин в организме животных, но как этот пигмент образуется и какую роль играет у растений остается предметом изучения», — подчеркнула старший научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН, кандидат биологических наук Олеся Юрьевна Шоева.

Долгое время стоял вопрос, можно ли вообще такой пигмент у растений отнести к меланинам, поскольку, в отличие от животных, у растений он не содержит азота. В последние десятилетия ученые пришли к мнению, что это все же является одной из форм меланина, но биохимические и молекулярно-генетические аспекты образования меланина у растений по-прежнему изучены мало.

Однако, уже то, что известно ученым в настоящее время вызывает большой интерес к растительному меланину как сырью для различных отраслей, включая биомедицинскую. Это обусловлено рядом уникальных свойств пигмента, такими как его стабильное состояние свободных радикалов, поглощение ультрафиолетово-видимого (УФ-видимого) света и ионообменная способность. 

«Считается, что черная пигментация возникла в результате адаптации живых организмов к неблагоприятным условиям окружающей среды и сегодня эти функции меланина интересуют селекционеров, работающих над новыми сортами зерновых и других сельскохозяйственных культур», — отметила Олеся Шоева.

Так, возникло предположение, что семена с черным зерном могут созревать раньше, чем желтые, благодаря способности черных поверхностей поглощать больше солнечной энергии. Это было показано на сравнении сроков созревания ячменя с черными и белыми зернами. Меланины обеспечивают дополнительную механическую прочность оболочкам семян, защищая их от повреждений. Кроме того, пигмент обеспечивает устойчивость к насекомым и вредителям благодаря своей токсичности. У подсолнечника семена с черными оболочками меньше повреждены личинками моли, чем белые. Поскольку меланины являются сильными антиоксидантами, они могут защищать семена в условиях стресса.

Однако большая часть того, что известно о функциях меланина в организме растения — это либо эмпирические данные (полученные в результате наблюдений), либо предположения, сделанные на их основе. Проведение целенаправленной селекционной работы с использованием современных генетических технологий требует совсем другого — детального понимания механизмов выработки и накопления этого пигмента растением и того, какую функциональную роль он играет в процессах его жизнедеятельности.  Исследования в этом направлении в настоящее время проводят ученые ИЦиГ СО РАН и ВИР, равно как и в ряде других научных центров мира.

В начале этого года аспирант второго года обучения ИЦиГ СО РАН Анастасия Юрьевна Глаголева имела возможность провести часть исследования в ВИР. Выполняемый раздел проекта был посвящен геногеогафии. «Было проведено обследование нескольких сотен образцов ячменя коллекции ВИР, в том числе из довоенных вавиловских сборов во время экспедиций в Иран, Афганистан, Турцию, Эфиопию, Эритрею и даже из двух дореволюционных гербарных образцов Роберта Регеля», — рассказала директор ВИР доктор биологических наук Елена Константиновна Хлесткина. 

Был отобран материал для проведения ДНК-анализа в Новосибирске, который позволит воссоздать картину распространения аллельных вариантов генов, связанных с меланогенезом, уточнить их значение для адаптации в регионах с различными климато-географическими условиями. В том числе взята ДНК из фрагментов растений с гербарных листов. 

«Сегодня все большие обороты набирает направление исследований называемое “museomics”, — подчеркнула Елена Хлесткина. — Оно связано с лабораторными молекулярно-генетическими и омиксными исследованиями гербарного материала. Аккуратность, с которой происходила фиксация места и времени сбора при создании научного гербария ВИР, позволяют сегодня воссоздавать картину распределения генетического разнообразия растений столетней давности, а также определять редкие и ценные аллельные варианты генов, впоследствии утраченные из-за кардинальных перемен в организации сельскохозяйственного производства в мире».

На BGRS/SB-2020 Анастасия Глаголева рассказала о том, что существует взаимосвязь между синтезом меланина и фотосинтезом, а также, что образование меланина и антоцианов является сопряженным метаболическим процессом, степень которого предстоит еще установить. Полученные данные, надеются авторы, позволят нанести биосинтез меланина на существующие карты метаболических путей, протекающих в растительных клетках.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (19-76-00018).

24 февраля, 2021
Петербургские ученые нашли препарат, облегчающий симптомы болезни Альцгеймера
Ученые Института цитологии РАН (ИНЦ РАН, Петербург) подобрали препарат, предотвращающий гибель нервн...
20 февраля, 2021
Ученые разработали технологию печати твердых электролитов для топливных элементов
Одной из основных проблем при создании современных электрохимических генераторов энергии на основе т...