УДК 581.1

КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ

© 2015 г. Г. Н. Смоликова, С. С. Медведев

Биологический факультет Санкт-Петербургского государственного университета, 

Санкт-Петербург

Поступила в редакцию 23.06.2014 г.

В обзоре анализируются имеющиеся в литературе сведения о синтезе и физико-химических свойствах каротиноидов, а также их функциях на этапах формирования и покоя семян. При созревании семян каротиноиды участвуют в фотосинтезе, выполняя специфические для фотосинтезирующих тканей светособирающие и защитные функции, а также являются предшественниками АБК. В покоящихся семенах каротиноиды локализуются в пластидах, где способствуют поддержанию структурной целостности мембран и защите от разрушения запасных питательных соединений. Обсуждается роль каротиноидов как липофильных антиоксидантов и механизмы их защитного действия от свободных радикалов, которые продуцируются при старении семян.

 

 

Ключевые слова: покрытосеменные растения  семена  хлороэмбриофиты – каротиноиды – фотосинтез – АБК – апокаротиноиды – каротиноидные радикалы

 

 

-----------------------------------------

Сокращения: Кар – каротиноиды; Хл – хлорофилл(ы).

Адрес для корреспонденции: Смоликова Галина Николаевна. 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. Санкт-Петербургский государственный университет, биологический факультет, кафедра физиологии и биохимии растений. Электронная почта: galina.smolikova@gmail.com

ВВЕДЕНИЕ

Каротиноиды – это желтые, оранжевые или красные пигменты растений. В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия хлорофиллов. При разрушении хлорофиллов осенью именно каротиноиды придают листьям характерную желто-оранжевую окраску. Впервые термин каротин предложил в 1831 г. немецкий химик Wackenroder [1] для обозначения пигмента, который он выделил из корнеплода моркови и кристаллизовал. Из осенних листьев желтые пигменты были выделены в 1837 г. Berzelius [2], который позже обнаружил их в зеленых листьях и назвал ксантофиллами (по-гречески xanthos – желтый, phyllon – лист) по аналогии с хлорофиллами (chloros – зеленый, phyllon – лист).

Для разделения фотосинтетических пигментов Цвет [3] изобрел принципиально новый метод (адсорбционную хроматографию), который позволил ему не только выделить хлорофиллы a и b, но и получить три фракции желтых пигментов. Предполагая сходство химической природы каротина и ксантофиллов, Цвет ввел понятие каротиноиды для объединения этих пигментов в одну группу (от лат. carota – морковь и греч. eidos – вид).

Каротиноиды являются обязательным компонентом пигментных систем всех фотосинтезирующих организмов. Мутантные растения, лишенные каротиноидов, быстро погибают. В процессе фотосинтеза выделяют четыре основные функции, которые выполняют каротиноиды: антенная, антиоксидантная, фотопротекторная и структурная [4, 5].

Антенная (светособирающая) функция обусловлена возможностью каротиноидов под действием света переходить в синглетное возбужденное состояние. Затем энергия возбуждения каротиноидов резонансным путем передается на близлежащую молекулу хлорофилла. Однако молекулы хлорофилла могут переходить в триплетное возбужденное состояние и сенсибилизировать таким образом образование синглетного кислорода.

Антиоксидантная функция каротиноидов заключается в том, что они способны предотвращать повреждения, вызываемые образованием триплетного хлорофилла и синглетного кислорода [6, 7]. Механизм защитного действия каротиноидов заключается в том, что они могут либо принимать энергию возбуждения триплетного хлорофилла, а затем рассеивать ее в виде тепла, либо “гасить” молекулы синглетного кислорода.

Кроме этого каротиноиды выполняют функции фотопротекторов, т.е. защищают фотосинтетический аппарат от фотоокисления на слишком ярком свету. Переключение функций каротиноидов с аккумулирования энергии света на ее рассеивание происходит в виолаксантиновом (ксантофилловом) цикле [8]. На сильном свету виолаксантин превращается вначале в антероскантин, а затем в зеаксантин, который способен рассеивать излишек световой энергии в форме тепла. На слабом свету происходит обратное превращение зеаксантина в виолаксантин.

Каротиноиды могут быть локализованы в различных частях хлоропластов и в зависимости от этого выполнять разные функции. Каротиноиды, которые находятся в тилакоидных мембранах, участвуют в световых реакциях фотосинтеза и обеспечивают структурную стабильность пигмент–белковых светособирающих комплексов (ССК) [4]. Каротиноиды, располагающиеся на внутренней и внешней мембранах хлоропластов, связаны с синтезом АБК и продукцией апокаротиноидов [9].

Каротиноиды, не принимающие участия в фотосинтезе и локализованные во внетилакоидных структурах, иногда называют вторичными [10]. По структурному разнообразию вторичных каротиноидов значительно больше, чем первичных или “фотосинтетических” каротиноидов. Особенности биосинтеза, физиология и адаптивное значение вторичного каротиноидогенеза наиболее хорошо изучены у прокариот и одноклеточных зеленых водорослей.

У высших растений каротиноиды гетеротрофных и запасающих органов и тканей обычно находятся в хромопластах и обеспечивают желтую, оранжевую и красную окраску плодов, лепестков цветков, клубней и корнеплодов. Каротиноиды также обнаружены в семенах всех высших растений [11, 12]. Однако в отличие от фотосинтезирующих тканей каротиноиды гетеротрофных органов и семян изучены очень слабо.

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРОТИНОИДОВ

В зависимости от наличия кислорода каротиноиды делят на два класса: каротины () – пигменты, не содержащие кислород (-, - и -каротины), и ксантофиллы – пигменты, которые содержат кислород. Среди ксантофиллов выделяют гидроксильные производные  – лютеин и зеаксантин и эпоксидные производные, например, виолаксантин и неоксантин (), которые содержат и гидроксильные, и эпоксидные группы. Наиболее распространенными каротиноидами растений являются -каротин и ксантофиллы  лютеин, виолаксантин и неоксантин. На ярком свету в хлоропластах накапливаются антераксантин и зеаксантин.

Большинство каротиноидов состоят из С40-углеводородного остова, содержащего сопряженные двойные связи. Именно эта система двойных связей выполняет функции хромофора и определяет спектральные свойства конкретных каротиноидов, которые имеют три или два пика (максимума) поглощения света в диапазоне от 400 до 500 нм. Каротиноиды встречаются как в свободном состоянии, так и в виде гликозидов; они способны нековалентно связываться с белками и мембранными липидами. Цис- и транс-стереоизомеры каротиноидов существенно различаются по физико-химическим свойствам и выполняют различные функции. Большинство природных каротиноидов (ликопин, циклические каротины, ксантофиллы) находятся в термодинамически более стабильной все-транс-конфигурации, в то время как цис-изомеры присутствуют в небольших количествах [4, 11].

В модельных экспериментах in vitro показано, что ряд каротиноидов, например, астаксантин, способны образовывать комплексные соединения с такими металлами, как Ca2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+ и Hg2+ [13]. Образование металл-хелатного комплекса не только изменяет спектр поглощения каротиноида, но и повышает его способность к перехвату (scavenging) свободных радикалов.

Наряду с удалением избытка активных форм кислорода (АФК), каротиноиды модулируют физические свойства мембран, расширяя диапазон фазового перехода из состояния геля в жидкокристаллическую фазу [14]. Наиболее существенное значение при взаимодействии каротиноидов с мембранами имеет жесткая структура молекулы каротиноида и наличие полярных групп, содержащих кислород. Известно, что фазовые переходы мембран из жидкокристаллического состояния в гель и из геля обратно в жидкокристаллическое состояние происходят при обезвоживании и гидратации семян в процессе созревания и прорастания соответственно [15]. Однако участие каротиноидов в процессах структурирования мембран в семенах практически не изучено.

Каротиноиды хорошо растворимы в хлороформе, сероуглероде, бензоле и ацетоне, несколько хуже в эфире, гексане, жирах и маслах [16]. Они окисляются кислородом, разлагаются на свету и при нагревании, особенно в присутствии кислот и щелочей. Каротины хорошо растворяются в эфирах, но плохо в спиртах, а ксантофиллы – наоборот.

 

СИНТЕЗ КАРОТИНОИДОВ

Предшественником каротиноидов является изопентенилпирофосфат (IPP, isopentenyl pyrophosphate), который в растениях может синтезироваться двумя независимыми метаболическими путями – глицеральдегидфосфат-пируватным или мевалонатным [17, 18]. В первом случае IPP синтезируется в пластидах из 1-дезоксиксилулозо-5-фосфатата, который образуется из пирувата и глицеральдегид-3-фосфата [19]. Второй путь синтеза IPP протекает в цитоплазме из мевалоновой кислоты. Перемещение IPP между пластидами и цитоплазмой может осуществляться с помощью мембранного переносчика, который выявлен в пластидах [20].

Процесс синтеза каротиноидов условно делят на 4 этапа [4, 18, 19, 21]. На первом этапе происходит сборка “углеродных скелетов” (рис. 1). Предшественник каротиноидов (IPP) в обратимой реакции, катализируемой изопентенилпирофосфат-изомеразой (IPPI, isopentenylpyrophosphate isomerase), превращается в диметилаллилпирофосфат (DMAPP, dimethylallylpyrophosphate) (рис. 1). Затем с участием фермента геранилгеранилпирофосфат-синтазы (GGPPS, GGPP synthase) происходит образование геранилгеранилпирофосфата (GGPP, geranylgeranyl diphosphate) в результате последовательного присоединения трех молекул изопентенилпирофосфата (IPP) к диметилаллилпирофосфату (DMAPP).

Второй этап связан с синтезом ликопина. Вначале происходит конденсация двух молекул геранилгеранилпирофосфата с образованием С40 нециклического каротиноида фитоина (рис. 1). Эта реакция катализируется ферментом фитоинсинтазой (PSY, phytoene synthase). Затем молекула фитоина подвергается реакциям десатурации, катализирумым фитоиндесатуразой (PDS, phytoene desaturase) и ζ-каротиндесатуразой (ZDS, ζ-carotene desaturase), и реакции изомеризации, катализируемой ζ-каротинизомеразой (Z-ISO, ζ-carotene isomerase) [21]. Вначале образуется бесцветный фитофлюин, а затем окрашенные каротиноиды: ζ-каротин, нейроспорин и 7,9,7',9'-цис-ликопин. Завершающий процесс связан с работой фермента каротиноидизомеразы (CRTISO, carotenoid isomerase), которая катализирует превращение 7,9,7',9'-цис-ликопина во все-транс-ликопин. 

На третьем этапе под действием ликопинциклаз происходит циклизация молекулы ликопина и образование циклических каротинов (рис. 1). Циклизация ликопина – это точка раздела пути биосинтеза каротиноидов на β-ветвь, которая ведет к β-каротину и его производным, и ε-ветвь, которая ведет к образованию α-каротина и его производных [4]. 

В синтезе β-каротина принимает участие мембранно-связанный фермент ликопин-β-циклаза (LYCB, lycopene β-cyclase), который катализирует образование циклических каротиноидов, содержащих иононовые кольца β-типа (двойные связи между С5 и С6). Вначале формируется одно β-иононовое кольцо (образуется γ-каротин), а затем второе. В результате из симметрично-линейной молекулы ликопина синтезируется наиболее распространенный дициклический каротиноид -каротин.

Синтез α-каротина также идет в две стадии. Вначале синтезируется δ-каротин с участием ликопин-ε-циклазы (LYCE, lycopene ε-cyclase), катализирующей образование ε-иононового кольца (двойная связь между С4 и С5) (рис. 1). Затем с помощью LYCB происходит формирование β-кольца и образование α-каротина. Таким образом в состав α-каротина и образующихся из него каротиноидов (зейноксантина, α-криптоксантина и лютеина) входят одно ε- и одно β-кольцо. Каротиноиды, содержащие два ε-иононовых кольца, встречаются очень редко.

Четвертый этап синтеза каротиноидов связан с последовательным окислением (оксигенированием) каротинов и образованием ксантофиллов. Armstrong и Hearst [22] образно сравнивают биосинтез каротиноидов с перевернутым деревом, в котором ствол – это реакции, присущие всем организмам, а крона является отражением разнообразия ксантофиллов. Такое разнообразие достигается благодаря введению в молекулы ксантофиллов различных кислород-содержащих групп (гидрокси-, метокси-, оксо-, эпокси-, карбокси- и альдегидных). Выявлено более 600 модификаций молекулярной структуры каротиноидов с уникальными путями биосинтеза, различающихся по числу двойных связей, пространственной конфигурации и содержанию кислорода [4, 23].

Процесс образования ксантофиллов начинается с гидроксилирования β- и ε-колец каротинов, соответственно, β- и ε-гидроксилазами [24, 25]. Гидроксилирование β-колец (β-каротина и β-криптоксантина) осуществляют β-каротин-гидроксилазы (HYDB, β-carotene hydroxylases). В качестве HYDB может функционировать содержащая 2 атома негеминового железа β-каротин-гидроксилаза (ВСН, β-carotene hydroxylase) и/или цитохром-P450-монооксигеназа – CYP97A и CYP97В. В результате сначала образуется β-криптоксантин, а затем  зеаксантин.

В гидроксилировании ε-колец каротиноидов принимает участие ε-гидроксилаза (CYP97C, carotene ε-ring hydroxylase), которая представляет собой цитохром-P450-монооксигеназу [26]. Гидроксилирование β-колец при этом также катализирует β-гидроксилаза (HYDB). Итогом поочередной работы ε- и β-гидроксилаз является формирование лютеина (рис. 1).

Превращение зеаксантина в антераксантин, а затем в виолаксантин происходит на слабом свету или в темноте с помощью фермента зеаксантинэпоксидазы (ZEP, zeaxanthin epoxidase). Эта мембранная ФАД-содержащая монооксигеназа один кислородный атом внедряет в субстрат, а второй превращает в Н2О, окисляя косубстрат – восстановленный ферредоксин. В результате эпоксидации одного β-иононового кольца зеаксантин превращается в антераксантин. Последующая эпоксидация второго β-иононового кольца приводит к превращению антераксантина в виолаксантин. Реакция эпоксидации осуществляется на внешней стороне мембраны тилакоида при рН 7.5 и требует присутствия НАДФ•Н и кислорода [27]. На слишком ярком свету виолаксантин превращается вначале в антераксантин, а затем в зеаксантин. Этот процесс происходит на внутренней стороне тилакоидной мембраны и катализируется ферментом виолаксантиндеэпоксидазой (VDE, violaxanthin de-epoxidase), активность которой при высокой освещенности возрастает за счет снижения рН в полости (люмене) тилакоида до 5.2. Именно зеаксантин способен рассеивать излишек световой энергии в форме тепла.

Большинство ранних работ по изучению биосинтеза каротиноидов в семенах было выполнено на мутантах кукурузы viviparous 5 (vp 5) с белым эндоспермом, у которых был нарушен синтез фитоинсинтазы [28]. При этом семена мутантных растений отличались более низким содержанием не только каротиноидов, но и АБК. Было выявлено два гена фитоиновой синтазы ˗ PSY1 и PSY2, которые различаются строением N- и C-концевых доменов [29, 30]. Оказалось, что накопление каротиноидов в эндосперме коррелирует с экспрессией гена PSY1, но не зависит от экспрессии гена PSY2 [31]. Не исключено, что неспособность фермента PSY2 функционировать в эндосперме связана со специфичностью структуры мембран “запасающих” пластид [30]. У мутантов кукурузы viviparous 9 (vp 9), зерновки которых также имели белый эндосперм, был нарушен синтез фермента ZDS, отвечающего за образование ζ-каротина [32].

Эндосперм риса, в отличие от кукурузы, практически не содержит каротиноидов [31], в то время как у пшеницы их уровень (в зависимости от сорта) может варьировать от 0.1 до 4–5 мг на грамм муки [33, 34]. Хорошо известно, что в рисе, как и во всех зерновых, витамины и микроэлементы находятся в алейроновом слое, зародыше и семенных покровах, однако все это удаляется при его шлифовании. Поэтому в шлифованных зерновках недостает многих важных питательных веществ, в том числе и каротиноидов, которые являются источником провитамина А. Эффективным способом повышения содержания каротиноидов в эндосперме является создание трансгенных растений, сверхэкспрессирующих гены, кодирующие ферменты синтеза каротиноидов, прежде всего фитоинсинтазу. В результате удалось создать коммерческие трансгенные линии риса (так называемый “золотой рис”) с содержанием каротиноидов в эндосперме от 1.6 до 37 мг/г сырого веса [35, 36].

Семена кукурузы, проса, сои, вики, люпина накапливают в основном лютеин, зеаксантин и в меньших количествах β-каротин. При этом в семенах различных сортов могут преобладать разные типы каротиноидов, Так, например, лютеин является основным каротиноидом белого проса, а зеаксантин – красного. Преобладающим каротиноидом семян тыквы является лютеин (более 50%), в меньших количествах содержатся α- и β-каротин [37]. В больших количествах лютеин накапливается в семенах масличных культур – подсолнечника и рапса, а также арабидопсиса [38–40].

 

АПОКАРОТИНОИДЫ

У многих растений можно найти частично разрушенные каротиноиды, известные как апокаротиноиды (рис. 2). Большинство апокаротиноидов являются продуктами окислительного распада, катализируемого семейством каротиноидных диоксигеназ [41–43].

Каротиноид-расщепляющие диоксигеназы (CCD, carotenoid cleavage dioxygenases) имеют несколько отличительных характеристик. Во-первых, для проявления каталитической активности им необходимо присутствие Fe2+. Во-вторых, они содержат 4 консервативных остатка гистидина, необходимых для образования координационных связей с атомом железа. И, в-третьих, у CCD на С-конце имеется консервативная пептидная последовательность, свойственная только этому семейству ферментов [42]. У арабидопсиса выявлено 9 генов, кодирующих CCD. Функции некоторых из них в синтезе ряда апокаротиноидов уже известны. В частности, согласованное функционирование CCD7 и CCD8 обеспечивает синтез стриголактонов [44] (рис. 3), CCD1 обеспечивает образование β-ионона, а пять 9-цис-эпоксикаротиноид-диоксигеназ (NCED2, NCED3, NCED5, NCED6 and NCED9, 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenases) принимают участие в синтезе АБК [45].

К апокаротиноидам относятся фитогормоны АБК и стриголактоны, а также летучие и нелетучие соединения, которые широко используются в качестве ароматизаторов, имитаторов вкуса и запаха. Такие продукты катаболизма каротиноидов, как β-иононы, играют важную роль в качестве аттрактантов насекомых-опылителей [45].

Стриголактоны, так же как ауксины и цитоцинины, необходимы для регуляции роста боковых побегов высших растений [46]. Стриголактоны также оказывают влияние на прорастание семян ряда растений-паразитов и образование мицелия микоризообразующими грибами [47]: выделяемые корнями стриголактоны активируют прорастание покоящихся семян паразитических растений и ветвление мицелия арбускулярных микоризообразующих грибов. Стригол стимулирует прорастание семян растения-паразита стриги (Striga spp.), а оробанхол является стимулятором прорастания семян растений из сем. Заразиховые (Orobanchaceae). 5-Дезоксистригол как фактор ветвления необходим для образования мицелия и формирования симбиотических взаимоотношений между растением и грибом-микоризообразователем [48]. Стригол и дезоксистигол выявлены у однодольных растений, в то время как оробанхол обычно обнаруживается у двудольных растений [47].

 

ПЛАСТИДЫ – ХРАНИЛИЩА КАРОТИНОИДОВ

Поддержание необходимого уровня каротиноидов в растениях возможно не только на уровне регуляции экспрессии генов и активности ферментов их биосинтеза, но также за счет формирования необходимого количества пластид, способных к запасанию этих пигментов [12]. К основным типам пластид относятся хлоропласты, хромопласты и лейкопласты [49].

Хлоропласты содержат хлорофилл и участвуют в фотосинтезе. Пластиды, которые содержат больше каротиноидов, чем хлорофиллов, называют хромопластами. Именно хромопласты обусловливают желтую, красную или оранжевую окраску многих цветков, плодов и осенних листьев. Хлоропласты могут превращаться в хромопласты при старении листьев и созревании плодов, в некоторых случаях этот процесс является обратимым.

К непигментированным пластидам относят пропластиды, этиопласты и лейкопласты. Пропластиды, которые обычно имеются в меристематических клетках, содержат гомогенный матрикс с небольшими инвагинациями внутренней мембраны. Пропластиды могут дифференцироваться или в хлоропласты (на свету), или в этиопласты (в темноте). В этиопластах содержится протохлорофиллид a и небольшое количество каротиноидов, которые придают им бледную желто-зеленую окраску [50]. Особенностью строения этиопластов является наличие упорядоченной паракристаллической структуры (в форме решетки), которая состоит из мембранных везикул, известных как проламеллярные тела. Последние являются своеобразным резервом мембранного материала для формирования ламеллярной структуры хлоропластов. Существует предположение, что в состав мембран проламеллярных тел входят каротиноиды, которые выполняют там стабилизирующую функцию. Уже после нескольких часов экспозиции на свету проламеллярные тела превращаются в тилакоиды, протохлорофилл – в хлорофилл и в итоге этиопласты – в хлоропласты. Однако, если сформированные хлоропласты в течение длительного времени будут находиться в темноте, они обратно трансформируются в этиопласты.

К лейкопластам относят бесцветные пластиды, сходные по структуре с пропластидами, в которых откладываются запасные соединения, такие как крахмал (амилопласты), белки (протеинопласты), липиды (элайопласты) [49]. Каротиноиды накапливаются в тех же пластидах, что и запасные питательные вещества [51–53]. В зрелых семенах каротиноиды находятся в пропластидах, амилопластах и элайопластах [12].

У высоко крахмалистых семян пшеницы, риса, ячменя и кукурузы преобладают амилопласты; у масличных семян специализированными пластидами для запасания липидов являются элайопласты [54]. Элайопласты способны запасать больше каротиноидов, чем амилопласты, поэтому содержание каротиноидов в масличных семенах, как правило, выше, чем в крахмалистых семенах [38]. Основным каротиноидом семян является лютеин, который выявляется даже в бесцветных амилопластах пшеницы [33, 34, 55].

В пластидах каротиноиды локализованы внутри пластоглобул – липопротеидных структур, которые долгое время называли осмиофильными глобулами или липидными каплями [56]. Внутри пластоглобул пигменты более устойчивы к окислению, что имеет значение для осуществления ими антиоксидантной функции и защите триглицеридов и ненасыщенных липидов от действия свободных радикалов [57]. В пластоглобулах каротиноиды находятся в основном в форме эфиров жирных кислот (ЖК). Следует отметить, что этерификация не затрагивает хромофорных свойств пигментов и способствует повышению гидрофобных свойств каротиноидов [23].

 

ФУНКЦИИ КАРОТИНОИДОВ СЕМЯН

В семенах каротиноиды способны выполнять функции, свойственные другим органам и тканям растений, а также некоторые специфические функции [12, 58]. К характерным только для семян функциям каротиноидов относят участие в синтезе АБК при их созревании и защиту от разрушения запасных питательных соединений (особенно масел) в покоящихся семенах. К важным, но недостаточно хорошо изученным функциям каротиноидов следует также отнести функцию защиты от свободных радикалов, которые образуются при старении семян.

Синтез АБК в семенах. Хорошо известно, что АБК является одним из главных регуляторов таких процессов, как созревание семян и их покой. Именно АБК обеспечивает ингибирование преждевременного прорастания семян и переход их в стадию покоя. На первых этапах развития зародыш получает АБК из тканей материнского растения, но затем начинает синтезировать ее сам [59–61]. Наибольшее количество АБК образуется во время созревания семян на стадии обезвоживания и перехода их в состояние покоя. Субстратами для синтеза АБК служат каротиноиды. Абсцизовая кислота синтезируется из виолаксантина, который образуется при участии зеаксантинэпоксидазы (ZEP) (см. рис. 1). 

Ранние этапы биосинтеза АБК в незеленых частях растений (как и в зеленых) протекают в пластидах [60, 62]. Синтез АБК начинается с изомеризации виолаксантина (рис. 4). В результате изомеризации 7′-двойной связи, сопровождающейся раскрытием эпоксидного кольца, происходит превращение виолаксантина в неоксантин с участием неоксантинсинтазы (NXS, neoxanthin synthase). Изомеризация 9-двойной связи приводит к превращению полного транс-изомера виолаксантина в 9-цис-виолаксантин, а неоксантина – в 9-цис-неоксантин. На следующем этапе при участии Fe2+-содержащих 9-цис-эпоксикаротиноиддиоксигеназ (NCED, 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenases) происходит разрыв двойной связи в положении 11. В результате С40-цепь каротиноидов распадается на С15- и С25-альдегиды. Предшественником АБК является C15-альдегид – ксантоксин, который транспортируется из пластид в цитоплазму, где подвергается дальнейшему окислению.

Окислительное превращение ксантоксина в АБК может происходить тремя способами (рис. 4) [62]. Основной путь образования АБК связан с окислением ксантоксина до абсцизового альдегида при участии короткоцепочечной дегидрогеназы/редуктазы (SDR, short-chain dehydrogenases/reductases). Затем абсцизовый альдегид окисляется до АБК с помощью оксидазы абсцизового альдегида (AAO, aldehyde oxidases), которая содержит молибденовый кофермент флавиновой природы. Фермент активен только тогда, когда молибденовый кофермент сульфурилирован под действием специальной сульфуразы. Мутанты, дефектные по сульфуразе молибденового кофермента (aba1 табака, aba3 арабидопсиса, flacca и sitiens томата), имеют низкий уровень АБК.

Второй путь синтеза связан с образованием из ксантоксина под действием альдегидоксидазы ксантоксиновой кислоты и ее окислением в АБК с помощью короткоцепочечной дегидрогеназы (SDR) [62]. Однако этот процесс малоактивный. 

Третий путь образования АБК из ксантоксина был выявлен при изучении мутантов томата flacca и sitiens, не способных превращать абсцизовый альдегид в АБК. Эти мутанты накапливают абсцизовый спирт, который, как выяснилось в опытах in vitro, может прямо превращаться в АБК [63] (рис. 4).

В нормальных условиях содержание ксантофиллов, в том числе виолаксантина, в зеленых тканях настолько превышает содержание АБК, что скорость синтеза каротиноидов не лимитирует синтез АБК. Поэтому, как уже отмечалось ранее, активность зеаксантинэпоксидазы влияет на синтез АБК только в незеленых частях растения. Например, значительное увеличение экспрессии генов зеаксантинэпоксидазы наблюдается в кончиках корней при засухе, а также в семенах на стадии созревания, когда происходит накопление АБК.

У семян мутантных растений арабидопсиса с нарушенным синтезом каротиноидов подавлен и синтез АБК. И, наоборот, семена мутантов кукурузы, которые преждевременно прорастали из-за недостатка АБК, были дефектны и по уровню каротиноидов в зародышах [64]. Задержка прорастания семян снимается с помощью флуридона, ингибитора биосинтеза каротиноидов. Флуридон часто используют, чтобы снять торможение развития семян салата [65], томатов [66] и пшеницы [67]. С другой стороны, сверхэкспрессия генов, кодирующих зеаксантинэпоксидазу (ZEP) в табаке и 9-цис-эпоксикаротиноиддиоксигеназу (NCED) у томатов, увеличивала накопление АБК в семенах, что в свою очередь приводило к увеличению периода их покоя и задержке прорастания [59, 66].

Защита семян от старения. Старение семян рассматривают как процесс накопления структурных и метаболических повреждений, приводящих к снижению их устойчивости к неблагоприятным условиям и нарушению функций вплоть до потери жизнеспособности [68, 69]. У семени (в отличие от целого растения) время наступления старения и скорость его протекания в бóльшей степени определяется внешними условиями, чем генотипом [70]. Продолжительность старения у семян с одним и тем же генотипом может сильно варьировать в зависимости от внешних условий, и в первую очередь от влажности и температуры. В то же время известно, что семена разных видов могут различаться по срокам хранения при одних и тех же условиях [71].

В физиологически зрелых семенах каротиноиды локализованы в тех же пластидах (амилопластах, элайопластах), в которых хранятся запасные питательные вещества [23, 50, 56]. Являясь жирорастворимыми, каротиноиды способны защищать масла семян от окисления. В стрессовых условиях каротиноиды, запасаемые в пластоглобулах, могут участвовать в перехвате АФК.

В основе повреждений, приводящих к старению семян, лежат процессы неферментативного гликозилирования белков, генерация АФК и других свободных радикалов, а также перекисное окисление липидов [68, 69, 72, 73]. Эти реакции не требуют высокого содержания воды и их продукты способны накапливаться семенах с низким уровнем влажности, что приводит к окислительным повреждениям мембран, белков и ДНК. В защите семян от АФК принимают участие токоферолы, аскорбат и глутатион [74]. Не исключено, что эти функции могут выполнять также и каротиноиды. Установлено, что каротиноиды являются важными антиоксидантами, которые ограничивают уровень свободных радикалов и снижают процессы ПОЛ, что тормозит старение и потерю жизнеспособности семян [12, 75, 76].

Способность к перехвату свободных радикалов в молекуле каротиноида возрастает с увеличением числа компланарных (т.е. лежащих в одной плоскости) конъюгированных двойных связей и снижается с появлением кето- и гидроксильных групп [76]. Взаимодействие каротиноидов со свободными радикалами зависит главным образом от характера свободных радикалов, а не от типа каротиноида [7].

Известно по меньшей мере четыре типа процессов, приводящих к перехвату свободных радикалов каротиноидами, результатом которых является образование каротиноидных радикалов: 

RO• + Кар → RO– + Кар•+,

RO• + Кар → RO+ + Кар•–,

RO• + Кар → ROH• + Кар(−H)•,

RO• + Кар → (RO − Кар)•,

где Кар•+ и Кар•– – катион- и анион-радикалы каротиноидов, образующиеся при переносе электрона, соответственно, от или к радикалу RO•; CAR(−H)• – каротиноидный радикал, образующийся в результате передачи атома водорода; (RO−CAR)• – каротиноидный аддукт-радикал.

Чем ниже влажность и температура окружающей среды, тем медленнее в семенах накапливаются элементы повреждения и тем дольше они способны храниться [69, 71], и наоборот, при повышении влажности и температуры происходит накопление элементов повреждения и ускоряется процесс старения семян. На этом эффекте основан так называемый метод “ускоренного старения”, который заключается в том, что семена выдерживают в течение нескольких суток в условиях повышенных температуры и влажности [69]. Этот метод часто используется для оценки устойчивости семян к стрессовым воздействиям. При этом в семенах инициируются процессы старения, которые при благоприятных условиях хранения идут очень медленно (годы и даже десятилетия). Семена, которые лучше переносят неблагоприятные условия ускоренного старения, более устойчивы к абиотическим стрессорам при прорастании.

В наших экспериментах анализировалось влияние ускоренного старения на содержание в семенах каротиноидов [75]. Для инициации ускоренного старения воздушно-сухие семена капусты инкубировали в течение 6 суток при 40°С и 86% влажности воздуха. Содержание влаги в семенах при этом повышалось с 6 до 14%, что позволяло ускорять процессы, приводящие к старению, однако не допускало активации метаболизма. Было установлено, что в семенах капусты условия ускоренного старения индуцировали 2.5-кратное повышение уровня каротиноидов, что косвенно свидетельствует об их участии в защитных реакциях семян от стрессовых воздействий.

Известно, что в стареющих клетках растений и в созревающих плодах каротиноиды представлены в основном находящимися в пластоглобулах пластид ксантофиллами, которые отличаются стабильностью и не разрушаются при деградации хлорофиллов [77]. При этом в отличие от пигментов фотосинтезирующих тканей в плодах и цветках ксантофиллы могут быть этерифицированы пальмитиновой, стеариновой, миристиновой, либо лауриновой кислотами. Такой же пул каротиноидов, по-видимому, имеется и в пластидах семян. Локализованные в пластоглобулах ксантофиллы находятся в основном в форме эфиров ЖК [23, 50]. Можно предположить, что в стрессовых условиях происходит расщепление эфиров и переход каротиноидов из связанного состояния в свободное.

Функции каротиноидов на различных этапах формирования семян. У некоторых покрытосеменных растений, называемых хлороэмбриофитами, на ранних стадиях эмбриогенеза содержащиеся в зародыше амилопласты дифференцируются в фотосинтетически активные хлоропласты [78, 79]. Этот процесс сопровождается синтезом хлорофиллов a и b, поэтому семена хлороэмбриофитов в течение эмбриогенеза остаются зелеными и обладают способностью к фотосинтезу.

Особенность “темновых” реакций фотосинтеза у формирующихся семян заключается в том, что источником углерода может служить не СО2 воздуха, а сахароза, поступающая из материнского растения [80]. При этом энергия НАДФ•Н и АТФ, синтезируемых в световых реакциях, расходуется на превращение сахарозы в ЖК и крахмал, а также используется для превращения пирувата в ацетил-СоА и выделения СО2. В семенах рапса, например, более 70% сахарозы превращается в пируват и затем в ацетил-СоА, который затем используется при синтезе ЖК [80]. При образовании ацетил-СоА из пирувата один углеродный атом выделяется в виде СО2. Накопление СО2 может вызывать подкисление цитозоля и снижать скорость фотосинтеза, поэтому в семенах функционирует система рефиксации СО2. Из-за такого типа метаболизма хлоропласты семян называют фотогетеротрофными. Фотосинтез также играет важную роль с точки зрения образования “фотосинтетического” кислорода, что предотвращает гипоксию и поддерживает дыхание в развивающемся семени [81, 82].

Таким образом, “эмбриональный” фотосинтез необходим для синтеза НАДФ•Н и АТФ, для аккумуляции запасных питательных веществ и обеспечения формирующих семян кислородом. На этом этапе развития семени находящиеся в хлоропластах каротиноиды выполняют такие же функции, как и в фотосинтезирующих тканях: светособирающую, антиоксидантную и фотопротекторную.

По мере накопления запасных питательных веществ происходит нарушение гранальной структуры хлоропластов, активность фотосинтеза падает, а хлорофиллы начинают разрушаться [83]. Хлоропласты превращаются в амило- и элайопласты, в которых накапливаются запасные питательные вещества. Триггером этого процесса может являться прекращение поступления из материнского растения сахарозы [84]. При этом каротиноиды разрушаются в меньшей степени, выполняя функции, не связанные с фотосинтезом. Основное количество каротиноидов в зрелых семенах локализовано, по-видимому, в пластоглобулах в форме эфиров ЖК. 

Однако существуют хлороэмбриофиты, в которых хлорофиллы после созревания семян деградируют не полностью и присутствуют в остаточных количествах [75]. Так как гранальная система хлоропластов в зрелых семенах разрушается и система переноса электронов в электрон-транспортной цепи перестает функционировать, такие “остаточные” хлорофиллы становятся опасным источником свободных радикалов. Хлорофиллы являются мощными фотосенсибилизаторами, и делокализованные в порфириновом ядре -электроны легко переходят в возбужденное состояние при попадании даже небольших количеств квантов света. Энергия их возбуждения обычно рассеивается тремя способами – в виде флуоресценции, в виде тепла или путем фотохимического тушения (quenching). Поскольку фотохимического тушения в семенах с разрушенными тилакоидными мембранами не происходит, велика вероятность акцептирования возбужденных электронов свободным кислородом с образованием АФК.

Известно, что в защите семян от АФК принимают участие токоферолы, аскорбат и глутатион [74]. Не исключено также, что эти функции могут выполнять каротиноиды [12]. Выделяют физический и химический механизмы антиоксидантного действия каротиноидов.

Физический механизм предполагает, что тушение триплетного хлорофилла (3Хл*) или синглетного кислорода (1О2) осуществляется за счет перехода каротиноидов (Кар) в триплетное возбужденное состояние (3Кар*) и дальнейшего рассеивания энергии в виде тепла [7]:

3Хл* + Кар → Хл + 3Кар*,

1О2 + Кар → О2 + 3Кар*,

3Кар* → Кар + тепло.

Химический механизм тушения предполагает окисление каротиноидов синглетным кислородом с образованием различных альдегидов и эндопероксидов [7, 85]. Образующиеся при этом продукты окисления каротиноидов могут играть важную роль в регуляции развития растений [41].

В заключение следует отметить, что спектр функций, которые каротиноиды выполняют в семенах, очень широк. При созревании семян они выполняют специфические для фотосинтезирующих тканей светособирающие и защитные функции, а также участвуют в синтезе АБК. В покоящихся семенах каротиноиды осуществляют защиту от разрушения запасных питательных соединений. Очень важной функцией каротиноидов является защита от свободных радикалов, которые продуцируются при старении семян. Однако пока еще не ясны механизмы защитного действия каротиноидов в физиологически зрелых семенах, где начинается разрушение гранальной системы хлоропластов и наблюдается низкий уровень содержания воды. Кроме этого, практически ничего не известно о функциях продуктов окисления каротиноидов в семенах, образование которых опосредовано активными формами кислорода.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 14-04-01624а) и темы СПбГУ № 1.38.233.2014.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Wackenroder H.W.F. Über das oleum radicis Dauci aetherum, das carotin, den carotenzucker und den officinellen succus Dauci; so wie auch über das mannit, welches in dem möhrensafte durch eine besondere art der gährung gebildet wird // Geigers Mag. Pharm. 1831. V. 33. P. 144–172.

2.Berzelius J.J. Über de gelbe farbe der bläetter im herbste // Ann. Pharm. 1837. V. 21. P. 257–262.

3.Tswett M. Uher den makro- und mikrochemischen nachweis des carotins // Ber. Dtsc. Bot. Ges. 1911. V. 29. P. 630–636.

4.Cuttriss A.J., Pogson B.J. Carotenoids // Plant Pigments and Their Manipulation / Ed. Davies K.M. Boca Raton: CRC Press, 2004. P. 57–91.

5.Cazzonelli C.I. Carotenoids in nature: insights from plants and beyond // Funct. Plant Biol. 2011. V. 38. P. 833–847. 

6.Красновский A.A. Синглетный молекулярный кислород. Механизмы образования и пути дезактивации в фотосинтетических системах // Биофизика. 1994. Т. 39. C. 236–250.

7.Edge R., Truscott G. Properties of carotenoid radicals and excited states and their potential role in biological systems // Carotenoids: Physical, Chemical, and Biological Functions and Properties / Ed. Landrum J.T. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2010. P. 283–307.

8.Jahns P., Holzwarth A.R. The role of the xanthophyll cycle and of lutein in photoprotection of photosystem II // Biochim. Biophys. Acta. 2012. V. 1817. P. 182–193.

9.Shumskaya M., Wurtzela E.T. The carotenoid biosynthetic pathway: thinking in all dimensions // Plant Sci. 2013. V. 208. Р. 58–63.

10.Соловченко А.Е. Физиология и адаптивное значение вторичного каротиноидогенеза у зеленых микроводорослей // Физиология растений. 2013. Т. 60. Р. 3–16.

11.Goodwin T.W. The Biochemistry of the Carotenoids. V. 1. London: Chapman and Hall, 1980. 262 p.

12.Howitt C.A., Pogson B.J. Carotenoids accumulation and function in seeds and non-green tissues // Plant Cell Environ. 2006. V. 29. P. 435–445.

13.Hernández-Marin E., Barbosa A., Martínez A. The metal cation chelating capacity of astaxanthin. Does this have any influence on antiradical activity? // Molecules. 2012. V. 17. P. 1039–1054.

14.Стржалка К., Костецка-Гугала А., Латовски Д. Каротиноиды растений и стрессовое воздействие окружающей среды: роль модуляции физических свойств мембран каротиноидами // Физиология растений. 2003. Т. 50. С. 194–199.

15.Хукстра Ф.А., Головина Е.А. Поведение мембран при дегидратации и устойчивость ангидробиотических организмов к обезвоживанию // Физиология растений. 1999. Т. 46. С. 347–361.

16.Rodrigues-Amaya D.B., Kimura M. Handbook for Carotenoids Analysis. Washington, DC: Harvest Plus, 2004. 58 p.

17.Lichtenthaler H.K., Schwender J., Disch A., Rohmer M. Biosynthesis of isoprenoids in higher plant chloroplasts proceeds via a mevalonate-independent pathway // FEBS Lett. 1997. V. 400. P. 271–274.

18.Ладыгин В.Г. Биосинтез каротиноидов в пластидах растений // Биохимия. 2000. Т. 65. С. 1317–1333.

19.Hannoufa A., Hossain Z. Regulation of carotenoid accumulation in plants // Biocat. Agric. Biotechnol. 2012. V. 1. № 3. P. 198–202.

20.Bick J.A., Lange B.M. Metabolic cross talk between cytosolic and plastidial pathways of isoprenoid biosynthesis: unidirectional transport of intermediates across the chloroplast envelope membrane // Arch. Biochem. Biophys. 2003. V. 415. № 2. P. 146–154.

21.Farre G., Bai C., Twyman R.M., Capell T., Christou P., Zhu C. Nutritious crops producing multiple carotenoids – a metabolic balancing act // Trends Plant Sci. 2011. V. 16. №. 10. P. 532–540.

22.Armstrong G.A., Hearst J.E. Genetics and molecular biology of carotenoid pigment biosynthesis // FASEB J. 1996. V. 10. P. 228–237.

23.Britton G. Overview of carotenoid biosynthesis // Carotenoids Biosynthesis and Metabolism / Eds. Britton G., Liaaen-Jensen S., Pfander H. Basel: Birkhäuser Verlag, 1998. P. 13–147.

24.Sun Z.R., Gantt E., Cunningham F.X. Cloning and functional analysis of the β-carotene hydroxylase of Arabidopsis thaliana // J. Biol. Chem. 1996. V. 271. P. 24 349–24 352.

25.Hirschberg J. Carotenoid biosynthesis in flowering plants // Curr. Opin. Plant Biol. 2001. V. 4. P. 210–218.

26.Tian L., Musetti V., Kim J., Magallanes-Lundback M., Della Penna D. The Arabidopsis LUT1 locus encodes a member of the cytochrome P450 family that is required for carotenoid epsilon-ring hydroxylation activity // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004. V. 101. P. 402–407.

27.Jahns P., Latowski D., Strzalka K. Mechanism and regulation of the violaxanthin cycle: the role of antenna proteins and membrane lipids // Biochim. Biophys. Acta. Bioenerg. 2009. V. 1787. №. 1. Р. 3–14.

28.Li Z.H., Matthews P.D., Burr B., Wurtzel E.T. Cloning and characterization of a maize cDNA encoding phytoene desaturase, an enzyme of the carotenoid biosynthetic pathway // Plant Mol. Biol. 1996. V. 30. P. 269–279.

29.Buckner B., Miguel P.S., Janick-Buckner D., Bennetzen J. L. The Y1 gene of maize codes for phytoene synthase // Genetics. 1996. V. 143. P. 479–488.

30.Gallagher C.E., Matthews P.D., Li F.Q., Wurtzel E.T. Gene duplication in the carotenoid biosynthetic pathway preceded evolution of the grasses // Plant Physiol. 2004. V. 135. P. 1776–1783.

31.Burkhardt P.K., Beyer P., Wünn J., Klöti A., Armstrong G.A., Schledz M., von Lintig J., Potrykus I. Transgenic rice (Oryza sativa) endosperm expressing daffodil (Narcissus pseudonarcissus) phytoene synthase accumulates phytoene, a key intermediate of provitamin a biosynthesis // Plant J. 1997. V. 11. P. 1071–1078.

32.Matthews P.D., Luo R.B., Wurtzel E.T. Maize phytoene desaturase and zeta-carotene desaturase catalyse a poly-Z desaturation pathway: implications for genetic engineering of carotenoid content among cereal crops // J. Exp. Bot. 2003. V. 54. P. 2215–2230.

33.Zandomeneghi M., Festa C., Carbonaro L., Galleschi L., Lenzi A., Calucci L. Front-surface absorbance spectra of wheat flour: determination of carotenoids // J. Agric. Food Chem. 2000. V. 48. P. 2216–2221.

34.Hentschel V., Kranl K., Hollmann J., Lindhauer M.G., Bohm V., Bitsch R. Spectrophotometric determination of yellow pigment content and evaluation of carotenoids by high-performance liquid chromatography in durum wheat grain // J. Agric. Food Chem. 2002. V. 50. P. 6663–6668.

35.Ye S., Al-Babili A., Klöti, J., Zhang P., Lucca P., Potrykus B.I. Engineering the provitamin A (β-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm // Science. 2000. V. 287. P. 303–305.

36.Paine J.A., Shipton C.A., Chaggar S., Howells R.M., Kennedy M.J., Vernon G., Wright S.Y., Hinchliffe E., Adams J.L., Silverstone A.L., Drake R., Improving the nutritional value of golden rice through increased pro-vitamin A content // Nat. Biotech. 2005. V. 23. P. 482–487.

37.Matus Z., Molnar P., Szabo L.G. Main carotenoids in pressed seeds (Cucurbitae semen) of pumpkin (Cucurbita pepo var. styriaca) // Acta Pharm. Hung. 1993. V. 63. № 5. P. 247–256.

38.Shewmaker C.K., Sheehy J.A., Daley M., Colburn S., Ke D.Y. Seed-specific overexpression of phytoene synthase: increase in carotenoids and other metabolic effects // Plant J. 1999. V. 20. P. 401–412.

39.Lindgren L.O., Stålberg K.G., Hoglund A. Seed-specific overexpression of an endogenous Arabidopsis phytoene synthase gene results in delayed germination and increased levels of carotenoids, chlorophyll, and abscisic acid // Plant Physiol. 2003. V. 132. P. 779–785.

40.Булда О.В., Рассадина В.В., Алексейчук Г.Н., Ламан Н.А. Спектрофотометрический метод определения содержания каротинов, ксантофиллов и хлорофиллов в экстрактах семян растений // Физиология растений. 2008. Т. 55. С. 604–611.

41.Bouvier F., Isner J.-C., Dogbo O., Camara B. Oxidative tailoring of carotenoids: a prospect towards novel functions in plants // Trends Plant Sci. 2005. V. 10. №. 4. P. 187–194. 

42.Auldridge M.E., McCarty D.R., Klee H.J. Plant carotenoid cleavage oxygenases and their apocarotenoid products // Curr. Opin. Plant Biol. 2006. V. 9. P. 315–321.

43.Caris-Veyrat С. Formation of carotenoid oxygenated cleavage products // Carotenoids: Physical, Chemical, and Biological Functions and Properties / Ed. Landrum J.T. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2010. P. 215–307.

44.Vogel J.T., Walter M.H., Giavalisco P., Lytovchenko A., Kohlen W., Charnikhova T., Klee H.J. SlCCD7 controls strigolactone biosynthesis, shoot branching and mycorrhiza-induced apocarotenoid formation in tomato // Plant J. 2010. V. 61. P. 300–311.

45.Walter M.H., Strack D. Carotenoids and their cleavage products: biosynthesis and functions // Nat. Prod. Rep. 2011. V. 28. P. 663–692.

46.Gomez-Roldan V., Fermas S., Brewer P.B., Puech-Pagés V., Dun E.A., Pillot J.P., Letisse F., Matusova R., Danoun S., Portais J.C., Bouwmeester H., Bécard G., Beveridge C.A., Rameau C., Rochange S.F. Strigolactone inhibition of shoot branching // Nature. 2008. V. 455. P. 189–194.

47.Tsuchiya Y., McCourt P. Strigolactones: a new hormone with a past // Curr. Opin. Plant Biol. 2009. V. 12. P. 556–561.

48.Akiyama K., Matsuzaki K., Hayashi H. Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi // Nature. 2005. V. 435. P. 824–827.

49.Wise R.R. The diversity of plastid form and function // The Structure and Function of Plastids / Eds. Wise R.R., Hoober J.K. Dordrecht: Springer, 2006. P. 3–26.

50.Solymosi K., Schoefs B. Etioplast and etio-chloroplast formation under natural conditions: the dark side of chlorophyll biosynthesis in angiosperms // Photosynth. Res. 2010. V. 105. P. 143–166.

51.Bartley G., Scolnik P. Plant carotenoids: pigments for photoprotection, visual attraction and human health // Plant Cell. 1995. V. 7. P. 1027–1038.

52.Vishnevetsky M., Ovadis M., Vainstein A. Carotenoid sequestration in plants: the role of carotenoid-associated proteins // Trends Plant Sci. 1999. V. 4. P. 232–235.

53.Vishnevetsky M., Ovadis M., Zuker A., Vainstein A. Molecular mechanisms underlying carotenogenesis in the chromoplast: multilevel regulation of carotenoid-associated genes // Plant J. 1999. V. 20. P. 423–431.

54.Kirk J.T., Tiliney-Bassett R.A. Proplastids, etioplasts, amyloplasts, chromoplasts and other plastids // The Plastids: Their Chemistry, Structure, Growth and Inheritance / Eds. Kirck S.T., Tiliney-Bassett R.A. Amsterdam: Elsevier/North-Holland Biomedical Press, 1978. P. 217–239.

55.Fratianni A., Irano M., Panfili G., Acquistucci R. Estimation of color of durum wheat. Comparison of WSB, HPLC, and reflectance colorimeter measurements // J. Agric. Food Chem. 2005. V. 53. P. 2373–2378.

56.Brehelin C., Kessler F. The plastoglobule: a bag full of lipid biochemistry tricks // Photochem. Photobiol. 2008. V. 84. P. 1388–1394.

57.Merzlyak M.N., Solovchenko A.E. Photostability of pigments in ripening apple fruit: a possible photoprotective role of carotenoids during plant senescence // Plant Sci. 2002. V. 163. P. 881–888.

58.Nambara E., Okamoto M., Tatematsu K., Yano R., Seo M., Kamiya Y. Abscisic acid and the control of seed dormancy and germination // Seed Sci. Res. 2010. V. 20. P. 675–689. 

59.Frey A., Godin B., Bonnet M., Sotta B., Marion-Poll A. Maternal synthesis of abscisic acid controls seed development and yield in Nicotiana plumbaginifolia // Planta. 2004. V. 218. P. 958–964.

60.Nambara E., Marion-Poll A. Abscisic acid biosynthesis and catabolism // Annu. Rev. Plant Biol. 2005. V. 56. P. 165–185.

61.Boursiac Y., Leran S., Corratgé-Faillie C., Gojon A., Krouk G., Lacombe B. ABA transport and transporters // Trends Plant Sci. 2012. V. 18. P. 325–333.

62.Schwartz S.H., Zeevaart J.A.D. Abscisic acid biosynthesis and metabolism // Plant Hormones: Biosynthesis, Signal Transduction, Action! / Ed. Davies P.J. Dordrecht, Heidelberg, London, New York: Springer, 2010. P. 137–155.

63.Rock C.D., Heath T.G., Gage D.A., Zeevaart J.A.D. Abscisic alcohol is an intermediate in abscisic acid biosynthesis in a shunt pathway from abscisic aldehyde // Plant Physiol. 1991. V. 97. P. 670–676.

64.Maluf M.P., Saab I.N., Wurtzel E.T., Sachs M.M. The viviparous12 maize mutant is deficient in abscisic acid, carotenoids, and chlorophyll synthesis // J. Exp. Bot. 1997. V. 48. P. 1259–1268.

65.Yoshioca T., Endo T., Satoh S. Restoration of seed germination at supraoptimal temperatures by fluridone, an inhibitor of abscisic acid biosynthesis // Plant Cell Physiol. 1998. V. 39. P. 307–312.

66.Thomson A.J., Jackson A.C., Symonds R.C., Mulholland B.J., Dadswell A.R., Blake P.S., Burbidge A., Taylor I.B. Ectopic expression of a tomato 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase gene causes over-production of abscisic acid // Plant J. 2000. V. 23. P. 363–374.

67.Garello G., le Page-Degivry M.T. Evidence for the role of abscisic acid in the genetic and environmental control of dormancy in wheat (Triticum aestivum L.) // Seed Sci. Res. 1999. V. 9. P. 219–226.

68.McDonald M.B. Seed deterioration: physiology, repair and assessment // Seed Sci. Technol. 1999. V. 27. P. 177–237.

69.Смоликова Г.Н. Применение метода ускоренного старения для оценки устойчивости семян к стрессовым воздействиям // Вестн. СПбГУ. Сер. 3. 2014. Вып. 2. C. 

70.Nagel M., Börner A. The longevity of crop seeds stored under ambient conditions // Seed Sci. Res. 2010. V. 20. P. 1–12.

71.Walters C., Hill L.M., Wheeler L.G. Dying while dry: kinetics and mechanisms of deterioration in desiccation organisms // Integr. Comp. Biol. 2005. V. 45. P. 751–758.

72.Bailly C. Active oxygen species and antioxidants in seed biology // Seed Sci. Res. 2004. V. 14. P. 93–107.

73.Веселовский В.А., Веселова Т.В. Перекисное окисление липидов, гидролиз углеводов и реакция Амадори–Майларда на ранних этапах старения сухих семян // Физиология растений. 2012. Т. 59. С. 763–770.

74.Hendry G.A.F. Oxygen, free radical processes and seed longevity // Seed Sci. Res. 1993. V. 3. P. 141–153.

75.Смоликова Г.Н., Ламан Н.А., Борискевич О.В. Роль хлорофиллов и каротиноидов в устойчивости семян к абиотическим стрессорам // Физиология растений. 2011. Т. 58. С. 817–825.

76.Skibsted L.H. Carotenoids in antioxidant networks. colorants or radical scavengers // J. Agric. Food Chem. 2012. V. 60. P. 2409–2417.

77.Соловченко А.Е., Мерзляк М.Н. Экранирование видимого и УФ излучения как фотозащитный механизм растений // Физиология растений. 2008. Т. 55. C. 803–822.

78.Яковлев М.С., Жукова Г.Я. Покрытосеменные растения с зеленым и бесцветным зародышем (хлоро- и лейкоэмбриофиты). Ленинград: Наука, 1973. 116 с.

79.Puthur J.T., Shackira A.M. Saradhi P. P., Bartels D. Chloroembryos: a unique photosynthesis system // J. Plant Physiol. 2013. V. P. 1131–1138.

80.Ruuska S.A., Schwender J., Ohlrogge J.B. The capacity of green oilseeds to utilize photosynthesis to drive biosynthetic processes // Plant Physiol. 2004. V. 136. P. 2700–2709.

81.Borisjuk L., Nguyen T.H., Neuberger T., Rutten T., Tschiersch H., Claus B., Feussner I., Webb A.G., Jakob P., Weber H., Wobus U., Rolletschek H. Gradients of lipid storage, photosynthesis and plastid differentiation in developing soybean seeds // New Phytol. 2005. V. 167. P. 761–776.

82.Tschiersch H., Borisjuk L., Rutten T., Rolletschek H. Gradients of seed photosynthesis and its role for oxygen balancing // Biosystems. 2011. V. 103. P. 302–308.

83.Mansfield S.G., Briarty L.G. Cotyledon cell development in Arabidopsis thaliana during reserve deposition // Can. J. Bot. 1992. V. 70. P. 151–164.

84.Johnson R.W., Asokanthan P.S., Griffith M. Water and sucrose regulate canola embryo development // Physiol. Plant. 1997. V. 101. P. 361–366.

85.Ramel F., Birtic S., Cuine S., Triantaphylides C., Ravanat J.-L., Havaux M. Chemical quenching of singlet oxygen by carotenoids in plants // Plant Physiol. 2012. V. 158. P. 1267–1278.

Подписи к рисункам

 

Рис. 1. Синтез каротиноидов у высших растений. 

IPPP – изопентенилпирофосфатизомераза; GGPPS – геранилгеранилпирофосфатсинтаза; PSY – фитоинсинтаза; PDS – фитоиндесатураза; ZISO –˗ ζ-каротинизомераза; ZDS – ζ-каротиндесатураза; CRTISO – каротиноидизомераза; LYCE – ликопин-ε-циклаза; LYCB – ликопин-β-циклаза; HYDB – β-каротингидроксилаза; CYP97C – ε-гидроксилаза; VDE – виолаксантиндеэпоксидаза; ZEP – зеаксантинэпоксидаза.

 

Рис. 2. Апокаротиноиды, образующиеся при расщеплении β-каротина специфическими каротиноидными оксигеназами. 

 

Рис. 3. Предполагаемый путь синтеза стриголактонов из β-каротина у высших растений (цит. по [46] с изменениями). 

CCD – каротиноид-расщепляющая диоксигеназа, MAX1 (More AXillary growth) – ген, который кодирует цитохром P450, участвующий в синтезе стриголактона.

 

Рис.4. Синтез АБК у высших растений. 

NXS – неоксантин-синтаза; NCED – 9-цис-эпоксикаротиноиддиоксигеназа; SDR – короткоцепочечной дегидрогеназы/редуктаза; AOO – оксидаза абсцизового альдегида.