Один из докладов на проходящей в эти дни в Новосибирске XII международной мультиконференции «Биоинформатика и системная биология» (BGRS/SB-2020) был посвящен изучению синтеза меланина у растений.
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, к.б.н. Олеся Шоева.
Долгое время стоял вопрос, можно ли вообще этот 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 он 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.
В своем обзоре, опубликованном в Frontiers in Plant Science, авторы – ученые ФИЦ ИЦиГ СО РАН и ВИР им. Вавилова обобщили современные данные о функциях, локализации и молекулярно-генетическом контроле образования меланина в семенах. Авторы обзора отмечают, что изучение процесса меланогенеза в растениях имеет не только фундаментальную научную, но и вполне прикладную составляющие.
– 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, меланин 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 и ВИР, равно как и в ряде других научных центров мира.
В начале этого года аспирант второго года обучения ИЦиГ СО РАН Анастасия Глаголева имела возможность провести часть исследования в ВИР. Выполняемый раздел проекта был посвящен геногеогафии.
– Под руководством куратора коллекции ячменя ведущего научного сотрудника отдела генетических ресурсов овса, ржи и ячменя Ольги Ковалевой и куратора гербарной коллекции ячменя ведущего научного сотрудника отдела агроботаники и сохранения in situ генетических ресурсов растений Ирены Чухиной, 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 Р. Регеля, – рассказывает директор ВИР Елена 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, - связанное 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.
В докладе, который представила на конференции Анастасия Глаголева, были доложены новейшие результаты исследований меланогенеза у растений, показавшие, 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).
Больше информации о проходящей XII международной мультиконференции «Биоинформатика и системная биология» (BGRS/SB-2020) можно получить на ее сайте.
Пресс-служба ФИЦ ИЦиГ СО РАН
