Forskere opdager en evolutionær springbræt til roe-røde roer

Den røde farve sprøjtes ud over haver, skove og gårde, tiltrække bestøvere med lyse nuancer, signalerer moden frugt og glæder både grøntsags- og blomstergartnere.

Men hvis du sætter en rubin-hindbær op ad en karmosinrød roer og ser godt efter, du kan bare bemærke:de er forskellige røde.

For millioner af år siden, en familie af planter – roerne og deres nære og fjerne fætre – ramte et helt nyt rødt pigment og kasserede det røde, som resten af ​​planteverdenen brugte. Hvordan denne nye røde udviklede sig, og hvorfor en plante, der laver begge slags rødt pigment, aldrig er blevet fundet, er spørgsmål, der længe har tiltrukket forskere, der undrer sig over planteudviklingen.

Skriver i denne uge (9. okt., 2017) i bladet Ny fytolog , University of Wisconsin-Madison Professor i botanik Hiroshi Maeda og hans kolleger beskriver en ældgammel løsning af en vigtig biokemisk vej, der satte scenen for roernes forfædre til at udvikle deres karakteristiske røde pigment. Ved at udvikle en effektiv måde at fremstille aminosyren tyrosin på, råvaren til den nye røde, denne plantefamilie frigjorde ekstra tyrosin til flere anvendelser. Senere innovationer gjorde den nyligt rigelige tyrosin skarlagenrød.

De nye resultater kan hjælpe roeavlsprogrammer og give værktøjer og information til forskere, der studerer, hvordan man kan omdanne tyrosin til dets mange nyttige derivater, som omfatter morfin og E-vitamin.

"Kernespørgsmålet, vi har været interesseret i, er, hvordan metaboliske veje har udviklet sig i forskellige planter, og hvorfor planter kan lave så mange forskellige forbindelser, " siger Maeda. "Roer var den perfekte start til at løse spørgsmålet."

Langt de fleste planter er afhængige af en klasse af pigmenter kaldet anthocyaniner for at gøre deres blade og frugter lilla og røde. Men roernes forfædre udviklede de røde og gule betalainer, og slukkede derefter for de overflødige anthocyaniner. Udover roer, farven findes i mangold, rabarber, quinoa og kaktusser, blandt tusindvis af arter. Betaliner er almindelige fødevarefarvestoffer og opdrættes til af roeavlere.

Da Maeda laboratoriestuderende og hovedforfatter af det nye papir Samuel Lopez-Nieves isolerede enzymerne i roer, der producerer tyrosin, han fandt to versioner. Den ene blev hæmmet af tyrosin - en naturlig måde at regulere mængden af ​​aminosyren på, ved at lukke for produktionen, når der er meget af det. Men det andet enzym var meget mindre følsomt over for regulering af tyrosin, hvilket betyder, at den kunne blive ved med at lave aminosyren uden at blive bremset. Resultatet var, at roer producerede meget mere tyrosin end andre planter, nok til at lege med og blive til betalains.

At regne med, at mennesker havde opdrættet denne meget aktive tyrosinvej, mens de valgte lyserøde roer, Lopez-Nieves isolerede enzymerne fra vilde roer.

"Selv roernes vilde forfader, havroer, havde dette deregulerede enzym allerede. Det var uventet. Så, vores oprindelige hypotese var forkert, " siger Lopez-Nieves.

Så han vendte sig til spinat, en fjernere fætter, der afveg fra roer for længere tid siden. Spinat havde også to eksemplarer, en, der ikke blev hæmmet af tyrosin, hvilket betyder, at den nye tyrosin-vej skal være ældre end spinat-roe-forfaderen. Forskerne var nødt til at gå meget længere tilbage i evolutionær tid for at finde ud af, hvornår roernes forfader udviklede sig et sekund, mindre hæmmet enzym.

Arbejde med samarbejdspartnere ved University of Michigan og University of Cambridge, Maedas team analyserede genomerne fra snesevis af plantefamilier, nogle der lavede betalainer og andre der divergerede før de nye pigmenter havde udviklet sig. De opdagede, at innovationen af ​​tyrosinvejen - med et enzym frit til at lave mere af aminosyren - udviklede sig længe før betalainer. Først senere udviklede der sig andre enzymer, der kunne forvandle den rigelige mængde tyrosin til de røde betalainer.

"Vores oprindelige hypotese var, at betalain-pigmentvejen udviklede sig og derefter, under avlsprocessen, folk justerede tyrosinvejen for yderligere at øge pigmentet. Men det var ikke tilfældet, " siger Maeda. "Det skete faktisk langt tilbage før. Og det gav et evolutionært springbræt mod udviklingen af ​​denne nye pigmentvej."

Takeaway af denne undersøgelse, siger Maeda, er, at ændring af produktionen af ​​råmaterialer som tyrosin åbner nye muligheder for at producere de varierede og nyttige forbindelser, der gør planter til naturens førende kemikere.

For en ukendt forfader til roer og kaktusser, denne fleksibilitet i råmaterialer gjorde det muligt for den at opdage en ny slags rød, som verden ikke havde set før, en, der stadig sprøjtes ud over planteverdenen i dag.