Karotenoidy zwiększanie zawartości w roślinach Ewa Madera Janusz Mordarski

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

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

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

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)

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.

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

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

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

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)

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

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

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%

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

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

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