Красный цвет разбрызгивается по садам, лесам и фермам, привлекая опылителей яркими оттенками, сигнализируя о спелых фруктах и радуя садоводов и цветоводов.
Но если вы поставите рубиновую малину рядом с малиновой свеклой и присмотритесь, вы можете просто заметить: это разные красные.
Миллионы лет назад одно семейство растений - свекла и ее близкие и дальние родственники - наткнулись на совершенно новый красный пигмент и отказались от красного, используемого остальным растительным миром. Как появился этот новый красный цвет и почему до сих пор не найдено растение, производящее оба вида красного пигмента, - вот вопросы, которые долгое время привлекали исследователей, ломающих голову над эволюцией растений.
На этой неделе (9 октября 2017 г.) в журнале New Phytologist профессор ботаники Университета Висконсин-Мэдисон Хироши Маэда и его коллеги описывают древнее ослабление ключевого биохимического пути, которое подготовило почву для предков свеклы, чтобы развить свой характерный красный пигмент. Разработав эффективный способ получения аминокислоты тирозина, сырья для нового красного цвета, это семейство растений высвободило лишний тирозин для более широкого применения. Более поздние нововведения превратили недавно появившийся в изобилии тирозин в алый цвет.
Новые результаты могут помочь программам селекции свеклы и предоставить инструменты и информацию для ученых, изучающих, как превратить тирозин в его многочисленные полезные производные, в том числе морфин и витамин Е.
«Основной вопрос, который нас интересовал, заключается в том, как эволюционировали метаболические пути у разных растений и почему растения могут образовывать так много разных соединений», - говорит Маэда. «Свекла была идеальным началом для решения вопроса».
Подавляющее большинство растений полагаются на класс пигментов, называемых антоцианами, которые окрашивают их листья и плоды в фиолетовый и красный цвета. Но предки свеклы выработали красный и желтый беталаины, а затем выключили лишние антоцианы. Помимо свеклы, цвет встречается у мангольда, ревеня, лебеды и кактусов среди тысяч видов. Беталаины - распространенные пищевые красители, для которых выращивают свеклу.
Когда аспирант лаборатории Maeda и ведущий автор новой статьи Сэмюэль Лопес-Ньевес выделил ферменты свеклы, которые производят тирозин, он обнаружил две версии. Один ингибировался тирозином - естественный способ регулировать количество аминокислоты, отключая выработку, когда ее много. Но второй фермент был гораздо менее чувствителен к регулированию тирозином, а это означало, что он мог продолжать производить аминокислоту без замедления. В результате свекла произвела гораздо больше тирозина, чем другие растения, достаточно, чтобы поиграть с ним и превратиться в беталаины.
Полагая, что люди вывели этот высокоактивный путь тирозина при отборе ярко-красной свеклы, Лопес-Нивес выделил ферменты из дикой свеклы.
«Даже у дикого предка свеклы, морской свеклы, уже был этот разрегулированный фермент. Это было неожиданно. Таким образом, наша первоначальная гипотеза была неверной», - говорит Лопес-Ньевес.
Итак, он обратился к шпинату, более дальнему родственнику, который давным-давно отделился от свеклы. У шпината также было две копии, одна из которых не ингибировалась тирозином, а это означает, что новый путь тирозина должен быть старше, чем у предка шпината - свеклы. Исследователям нужно было вернуться намного дальше во времени эволюции, чтобы выяснить, когда предок свеклы выработал второй, менее ингибируемый фермент.
Работая с сотрудниками из Мичиганского и Кембриджского университетов, команда Маеды проанализировала геномы десятков семейств растений, некоторые из которых произвели беталаины, а другие разошлись до того, как появились новые пигменты. Они обнаружили, что инновационный путь тирозина - с одним ферментом, свободным для производства большего количества аминокислоты - развился задолго до беталаинов. Только позже появились другие ферменты, которые могли превратить избыток тирозина в красные беталаины.
«Наша первоначальная гипотеза заключалась в том, что путь беталаинового пигмента эволюционировал, а затем, в процессе селекции, люди изменили путь тирозина, чтобы еще больше увеличить количество пигмента. Но это было не так», - говорит Маеда. «На самом деле это произошло давным-давно. И это послужило эволюционной ступенькой к эволюции этого нового пигментного пути».
Вывод этого исследования, говорит Маэда, заключается в том, что изменение производства сырья, такого как тирозин, открывает новые возможности для производства разнообразных и полезных соединений, которые делают растения главными химиками природы.
Некоторым неизвестным предкам свеклы и кактусов эта гибкость в отношении сырья позволила открыть новый вид красного цвета, которого мир не видел раньше и который до сих пор встречается в растительном мире.