Karotenoidy zwiększanie zawartości w roślinach

1. Karotenoidyzwiększanie zawartości w roślinach Ewa Madera Janusz Mordarski

2. Karotenoidy • Podobne strukturalnie izoprenoidy o symetrycznym łańcuchu węglowym (zwykle C40) • najbardziej widoczne w owocach, kwiatach i warzywach (żółte, pomarańczowe, czerwone) • scharakteryzowano 600 • likopen i b-karoten to najbardziej podstawowe, z nich wywodzą się inne (cyklizacja, oksydacja, hydrogenacja, dehydrogenacja) • kluczowy dla właściwości fizykochemicznych jest układ sprzężonych wiązań podwójnych

3. Podział • Węglowodorowe (b-karoten, likopen) • utlenione - ksantofile (luteina, zeaksantyna) • apokarotenoidy - poniżej 40 atomów węgla

5. Znaczenie u roślin • Część aparatu fotosyntetycznego • fotoprotekcja w warunkach silnego światła • funkcja antenowa przy słabym świetle • przywabianie zwierząt (kwiaty, owoce) • inne

6. U Zwierząt • Nie potrafią syntetyzować de novo - muszą pobierać z pokarmem • b-karoten jest prowitaminą A • rola przeciwutleniająca - • kamuflaż u skorupiaków • charakterystyczne kolory upierzenia ptaków(zdjęcie)

7. Rozwój technik HPLC (szczególnie rozdział izomerów cis/trans) umożliwił dokładne badania ilościowe i jakościowe karotenoidów w owocach i warzywach • Wszystkie warzywa liściowe mają podobny skład jakościowy karotenoidów - różnice ilościowe • najwięcej zawierają: zielona pietruszka, rzeżucha i szpinak (niewielki udział w diecie) • w owocach, korzeniach i nasionach (chromoplasty, amyloplasty) występują większe różnice jakościowe • główne karotenoidy niektórych owoców nie występują w aparacie fotosyntetycznym (likopen w pomidorach, apokarotenoidy w owocach cytrusowych) • rozmieszczenie w owocach jest różne u różnych roślin (zwykle więcej w skórce niż w miąższu) • niedojrzałe (zielone) owoce mają skład karotenoidów jak w liściach, podczas dojrzewania zmienia się.

9. Poznanie biosyntezy • Znane są kluczowe intermediaty • sklonowano większość enzymów, zsekwencjonowano cDNA (dostępne w internetowych bazach danych) • karotenogeneza zachodzi w plastydach, geny enzymów w jądrze • wczesne szlaki biosyntezy wspólne z innymi izoprenoidami (gibereliny, sterole, fitol, chinony terpenowe) • początkowy metabolit to difosforan izopentynylu (IPP) • jednym z ważniejszych metabolitów jest fitoen (bezbarwny), od niego wywodzą się wszystkie inne karotenoidy

10. Regulacja biosyntezy • Karotenoidy są produkowane w plastydach ale najprawdopodobniej istnieje wymiana metabolitów plastydowych i cytoplazmatycznych, w tym difosforanów prenylowych • na koncentrację i skład liściowych ksantofilów wpływa intensywność światła, akumulacja specyficznych karotenoidów w chromoplastach owoców i kwiatów jest regulowana w trakcie rozwoju • reaktywne formy tlenu odgrywają rolę wtórnych przekaźników przy tworzeniu karotenoidów w czasie róznicowania chromoplastów • Prawdopodobnie brak kontroli ekspresji enzymów przy udziale światła (brak zmian ekspresji przy deetiolacji siewek pomidora) • W czasie dojrzewania kwiatów i owoców - kontrola na poziomie ekspresji

11. Regulacja c.d. • udział etylenu - mutanty pomidora o zaburzonej produkcji etylenu mają bezbarwne owoce • występują modyfikacje potranskrypcyjne i potranslacyjne enzymów szlaku biosyntezy • synteza karotenoidów może być też kontrolowana przez produkty końcowe np. inhibicja cyklazy likopenu spowodowała zwiększoną ekspresję wcześniejszych enzymów szlaku

12. Klonowanie i wybór genów: • dla tkanek, które normalnie nie zawierają karotenoidów konieczny jest transfer jednocześnie kilku genów (np. złoty ryż) • w tkankach zawierających karotenoidy – jeden gen • przy wprowadzaniu genów bakteryjnych konieczna konstrukcja białka chimerycznego (najczęściej z małą podjednostka Rubisco)

14. Wybór promotora • Ważna część strategii (kontrola dynamiki, poziomu i specyficzności tkankowej ekspresji) • z powodzeniem stosuje się promotory nie związane z syntezą karotenoidów • promotory konstytutywne (np. CaMV, 35S) • promotory tkankowo specyficzne (napina, glutelina) pozwalają uniknąć zaburzeń w metabolizmie innych izoprenoidów

15. Po co zwiększać poziom karotenoidów w roślinach uprawnych? • Główna przyczyna - ma związek z ich funkcjami w ludzkim organizmie. • aktywność prowitaminy A - ograniczona do b-karotenu i innych z b-końcowymi grupami, np. b-kryptoksantyna albo zeaksantyna • ludzie z obniżonym poziomem karotenoidów są bardziej podatni na choroby zwyrodnieniowe • karotenoidy, a szczególnie likopen, wpływają na złagodzenie przebiegu przewlekłych chorób jak CHD (choroba wieńcowa), a także pewnych odmian raka • przypuszcza się że ich zdolności antyoksydacyjne odpowiadają za ich pozytywne działanie ale czy to jest ich rola in vivo pozostaje niewyjaśnione

16. dieta bogata w pomidory przynosi lepsze rezultaty niż podawanie likopenu samodzielnie • odwrotnie proporcjonalna zależność między wielkością spożycia karotenoidów a ryzykiem wystąpienia chorób oka • wyższy poziom karotenoidów/antyoksydantów zmniejsza ryzyko zachorowania na kataraktę lub zwyrodnienie plamki żóltej • wzrost spozycia luteiny i zeaksantyny zmniejsza szanse wystąpienia katarakty, inne karotenoidy nie mają tej właściwości • ich zawartość może być modyfikowana poprzez zmiany w diecie. W ten sposób zwiększając ich spożycie można wpłynąć na redukcję ilości światła niebieskiego docierającego do tkanek wrażliwych na AMD (age-related macular degeneration) o 30-40%

17. Plany na przyszłość • skuteczna transformacja roślin uprawnych o kluczowym znaczeniu • produkcja żywności o podwyższonym poziomie karotenoidów: walka z niedoborem witaminy A, zwiększone spożycie likopenu z pomidorów, dostarczanie ketokarotenoidów w karmach dla zwierząt

18. Plany na przyszłość c.d. • zwiększenie poziomu zeaksantyny i luteiny w żywności (walka z AMD) • postępy w technologii transformacji i klonowania istotnych genów oraz wzrastająca świadomość korzyści jakie przynoszą karotenoidy w pożywieniu przyspieszają rozwój tej dziedziny biotechnologii roślin • znaczny wzrost ilości transgenicznych roślin uprawnych produkujących zwiększone ilości karotenoidów

19. „Genetic engeenering for enhancing levels of carotenoids” Peter M. Bramley School of Biological Sciences, Royal Holloway, University of London