У большинства растений цветки имеют однотонную окраску, но некоторые являются двухцветными. Обычно под термином двухцветных цветков понимается окраска лепестков, имеющих два или более цвета. В более широком смысле он также включает цветки с разной окраской на одном растении.
Двухцветные цветы у многих растений обычно считаются своего рода химерой и с давних времен известны в биологии и садоводстве. Цветки таких химер обычно имеют довольно красочный и привлекательный вид, что пользуются большим спросом у многих любителей цветов. Поэтому не удивительно, что выращивание и изучение таких уникальных растений стало одним из новых и интереснейших направлений у селекционеров.
Различные виды растений с двухцветными цветками обычно имеют разнообразные механизмы окраски. У многих растений уже существует двухцветный фенотип окраски цветка, полученный в результате естественного отбора. Но также есть и полученные путем искусственной гибридизации, радиационной мутации, генетической трансформации и т. д.
Некоторые исследования показали, что вирусная инфекция также может приводить к фенотипическому формированию двухцветных цветков.
Понимание механизмов появления двухцветной окраски цветков может стать хорошей помощью в создании новых сортов с химерными цветками, а также позволит узнать методы регулирования окраски растений.
Цветковые растения имеют три основных класса пигментов в своих цветках, а именно, флавоноиды, беталаины и каротиноиды.
У травянистых пионов в лепестках наиболее важной группой пигментов являются флавоноиды.
Флавоноиды — это вторичные метаболиты растений, представляющие собой набор веществ, основанных на структуре ядра 2-фенилхромона. Водорастворимые флавоноиды, содержащие антоцианы и антоксантины, могут производить самый широкий спектр цветов, от бледно-желтого до сине-фиолетового.
В цветках антоксантины в основном производят цвета от белого до темно-желтого, а антоцианы от розового до сине-фиолетового.
Антоцианы являются наиболее важной группой флавоноидов в развитии окраски растений, и получаются из антоцианидинов путём присоединения различных сахаров. Известно около 100 антоцианов, полученных из шести распространенных типов антоцианидинов, а именно, пеларгонидина, цианидина, дельфинидина, пеонидина, петунидина и мальвидина.
Для пионов характерен пеонидин, который получается из цианидина.
Антоцианы очень нестабильны, и могут существенно изменятся под действием света, температуры, pH, окислителей и восстановителей. Например, цвет антоцианов красный в кислой среде, бесцветный в нейтральной и синий в щелочной. Окраска лепестков зависит от количества антоцианов. В белых лепестках антоцианы отсутствуют.
Биосинтез антоцианов происходит последовательно по следующей схеме: Фенилаланин – Циннамат – Кумарат-КоА [Малонил-КоА]– Халкон – Флаванон – Дигидрофлавонол - Леукоантоцианидин – Антоцианидин – Антоциан.
Для каждой ступени этих химических превращений необходимы соответствующие ферменты, которые кодируют следующие структурные гены:
PAL, ген фенилаланинаммиачной лиазы;
C4H, ген циннамат-4-гидроксилазы; 4CL, ген 4-кумарата: КоА-лигазы;
CHS, ген халконсинтазы;
CHI, ген халконизомеразы;
F3H, ген флаванон-3-гидроксилазы; F3′H, ген флавоноид-3′-гидроксилазы; F3′,5′H, ген флавоноид-3′,5′-гидроксилазы;
DFR, ген дигидрофлавонол-4-редуктазы;
ANS, ген антоцианидинсинтазы;
UFGT, ген UDP-глюкозы: флавоноидглюкозилтрансферазы; MT, ген метилтрансферазы.
В дополнении к структурным генам в биосинтезе антоцианов, а затем и в окраске цветков, важную роль играют факторы транскрипции, представляющие собой ДНК связывающие белки, расположенные в ядре. Они могут связываться с цис -действующими элементами в промоторных областях и регулировать экспрессию структурных генов. На настоящий момент известно три типа факторов транскрипции, которые влияют на окраску цветков: MYB, bHLH и WD4. Эти факторы транскрипции активируют или подавляют транскрипцию и экспрессию структурных генов посредством связывания со специфическими последовательностями ДНК и влияют на меж белковые взаимодействия, тем самым регулируя синтез антоцианов.
Как правило, антоцианы биосинтезируются в цитоплазме, а затем переносятся в вакуоль для хранения перед окраской лепестков. Поэтому обычно в этом процессе участвуют некоторые переносчики антоцианов, которые также могут влиять на цвет цветка.
Многие проведенные исследования показали, что основным молекулярным механизмом различной окраски двухцветных цветков является дифференциальная экспрессия одного или нескольких структурных генов, связанных с биосинтезом флавоноидов, которая в свою очередь вызвана дифференциальной экспрессией регуляторных генов, таких как факторы транскрипции.
Однако на самом деле молекулярный механизм различной окраски двухцветных цветков часто относительно сложен, и имеет различные причины у разных растений. На основании современных исследований молекулярный механизм появления двухцветных цветков можно разделить на четыре группы: тканеспецифическая экспрессия генов, вставка транспозонов или фрагментов оснований, РНК-интерференция и метилирование ДНК.
Тканеспецифическая экспрессия генов.
На молекулярном уровне тканеспецифическая экспрессия структурных генов или регуляторных факторов, связанных с биосинтезом флавоноидов (особенно антоцианов), обычно является основной причиной в разнице цвета двухцветных цветков растений.
С помощью анализа двухцветных (красных и желтых) цветков у Paeonia lactiflora 'Jinhui', Zhao et al. (2014) пришли к выводу, что главной причиной образования желтых лепестков является низкая экспрессия генов PlPAL , PlFLS , PlDFR , PlANS , Pl3GT и Pl5GT.
Shi Q. и др. (2022) установили, что процессы пигментации в основании лепестков у P. rockii и других сортов древовидных пионов было связано с пространственно-временной транскрипцией PrMYB5, активирующей промоторы PrDFR, что связано с накоплением антоцианов типа цианидина и пеонидина в основании лепестка.
Zhang и др. (2020) обнаружили, что более высокая экспрессия гена PsFLS в розовых лепестках может быть одной из главных причин разницы в цвете двухцветных (фиолетовых и розовых) цветков у Paeonia suffruticosa 'Er Qiao'.
Zhang и др. (2018a, 2018b) обнаружили, что PsMYB12L регулирует более высокую дифференциальную экспрессию структурного гена PsDFR в двухцветных (красных и розовых) цветках является ключевой в разнице цвета у P. suffruticosa 'Shima Nishiki'.
Zhang и др. (2022) обнаружили, что специфическая экспрессия miR858 и PsMYB12L в модуле miR858/PsMYB12L может быть одной из важных причин в регулировании разной окраски двухцветных цветков у P. suffruticosa 'Shima Nishiki'.
PrMYB5 и PsMYB111, участвуют в образовании пигментации лепестков у P. rockii и P. × suffruticosa, PsMYB12L, регулирующий экспрессию PsDFR, возможно является ключевым фактором образования двойных пятен на лепестках цветка у P. × suffruticosa, PsMYB30 участвует в образовании пятен красного цвета на лепестках у P. × suffruticosa, а PsMYB44, наоборот, путем ингибирования экспрессии структурного гена DFR, препятствует распространению пятнистости лепестков цветка у P. × suffruticosa (Zhang X. et al., 2019; Huo et al., 2020; Luo X. et al., 2021; Zhang et al., 2020а, b; Zhang et al., 2021b; Shi et al., 2022; Luan et al., 2022; Zhang et al., 2023).
Вставка транспозонов или фрагментов оснований.
ДНК транспозоны, также называют «прыгающими генами». Впервые они были обнаружены в пестрых початках кукурузы Барбарой МакКлинток (1948). Позже транспозоны были выявлены во многих декоративных растениях, таких как Antirrhinum majus, Petunia hybrida и Dianthus caryophyllus. Транспозон на самом деле представляет собой мобильную последовательность ДНК в геноме, которая может «пререпрыгивать» из одного положения в хромосоме в другое (Gao et al., 2016b). Встраиваясь в гены транспозоны могут приводить их к инактивации. Такое «прыгающее» свойство транспозонов обычно приводит к появлению нерегулярной химерной окраске, так называемый траспозонный фенотип. На белом фоне появляются пятна различной окраски рисунок не повторяется ни у одного цветка. Такие окраски характерны, когда траспозон расположен между кодирующей частью и промотором.
Когда транспозон выпрыгивает на белом фоне возникает малиновое пятно. Распределение областей химерного цвета обычно связано со временем и частотой вставки транспозона (Li et al., 2005; Zhang et al., 2018a). Для перемещения транспозона необходим активатор. Большинство транспозонных вставок обычно находятся в экзонах, интронах и промоторных областях некоторых структурных генов, связанных с биосинтезом флавоноидов, а иногда и в некоторых факторах транскипции, связанных с биосинтезом флавоноидов.
Кроме случаев вставки транспозона, возможна и частичная фрагментарная вставка некоторых оснований, которая также приводит к появлению фенотипа двухцветных цветков. Zhang и др. (2020) обнаружили, что в области кодирующей последовательности (CDS) структурного гена F3'H в розовых цветках была вставка из 6 пар оснований (GCGGCG), и пришли к выводу, что это может быть одной из основных причин разницы в цвете двухцветных (фиолетовых и розовых) цветков P. suffruticosa 'Er Qiao'.
Метилирование ДНК.
Метилирование в основном относится к метилированию промоторной области, которое обычно происходит в CpG-островке промотора и первой экзонной области.
Wang и др. (2019) выделили дифференциально метилированный фрагмент, гомологичный PsbHLH1, с помощью анализа амплифицированного полиморфизма, чувствительного к метилированию (MSAP), у P. suffruticosa 'Shima Nishiki', и дальнейший анализ показал, что он может быть связан с разницей в окраске двухцветных цветков у этого сорта.
Активное исследование молекулярного механизма появления двухцветных цветков началось совсем недавно (всего 10 лет назад) и все еще находится на начальной стадии изучения.
Литература:
А. А. Иванов, М. В. Васильева, И. Н. Анисимова, Р. С. Рахмангуло. 2023 Достижения в мировой и отечественной селекции пионов (Paeonia L.). Биотехнология и селекция растений 6(4) 60-81
Gao, Z.Y., Xie, H.X., Liu, N.N. & Liu, S.L. 2016b Structural characteristics and function of mutator in maize Yumi Kexue 24 47-50
Huo D., Liu X., Zhang Y., Duan J., Zhang Y., Luo J. A 2020 Novel R2R3MYB Transcription Factor PqMYB4 Inhibited Anthocyanin Biosynthesis in Paeonia qiui. International Journal of Molecular Sciences. 21(16):5878.
Li, M.T., Yu, L.J., Wang, L.M., Liu, J.M. & Lei, C. 2005 The heredity of flower colors and the discovery of flower color chimera in chrysanthemum species Hereditas 27 (6) 948-952
Luan Y., Tang Y., Wang X., Xu C., Tao J., Zhao D. 2022 Tree Peony R2R3MYB transcription factor PsMYB30 promotes petal blotch formation by activating the transcription of the anthocyanin synthase gene. Plant and Cell Physiology. 63(8):1101-1116.
Luo X., Sun D., Wang S., Luo S., Fu Y., Niu L., Shi Q., Zhang Y. 2021 Integrating full-length transcriptomics and metabolomics reveals the regulatory mechanisms underlying yellow pigmentation in tree peony (Paeonia suffruticosa Andr.) flowers. Horticulture Research. 8(1):235
McClintock, B 1948 Mutable loci in maize Carnegie Inst. Wash. Year Book 47 155-169
Shi Q., Yuan M., Wang S., Luo X., Luo S., Fu Y., Li X., Zhang Y., Li L. 2022 PrMYB5 activates anthocyanin biosynthetic PrDFR to promote the distinct pigmentation pattern in the petal of Paeonia rockii. Frontiers in Plant Science. 13: 955590.
Wang, Y., Zhao, M.Y., Xu, Z.D., Qi, S., Yu, X.Y. & Han, X. 2019 MSAP analysis of epigenetic changes reveals the mechanism of bicolor petal formation in Paeonia suffruticosa ‘Shima Nishiki’ 3 Biotech 9 313
Zhao, D.Q., Jiang, Y., Ning, C.L., Meng, J.S., Lin, S.S., Ding, W. & Tao, J. 2014 Transcriptome sequencing of a chimaera reveals coordinated expression of anthocyanin biosynthetic genes mediating yellow formation in herbaceous peony (Paeonia lactiflora Pall.) BMC Genomics 15 689
Zhao, D.Q. & Tao, J. 2015 Recent advances on the development and regulation of flower color in ornamental plants Front. Plant Sci. 6 261
Zhang, Y.Z., Cheng, Y.W., Xu, S.Z., Ma, H.P., Han, J.M. & Zhang, Y. 2020 Tree peony variegated flowers show a small insertion in the F3'H gene of the acyanic flower parts BMC Plant Biol. 20 211
Zhang, X.P., Zhao, L.Y., Xu, Z.D. & Yu, X.Y. 2018a Transcriptome sequencing of Paeonia suffruticosa ‘Shima Nishiki’ to identify differentially expressed genes mediating double-color formation Plant Physiol. Biochem. 123 114 124
Zhang, X.P., Zhao, M.Y., Guo, J., Zhao, L.Y. & Xu, Z.D. 2018b Anatomical and biochemical analyses reveal the mechanism of double-color formation in Paeonia suffruticosa ‘Shima Nishiki’ 3 Biotech 8 420
Zhang X.P., Xu Z., Yu X., Zhao L., Zhao M., Han X., Qi S. 2019 Identification of two novel R2R3-MYB transcription factors, PsMYB114L and PsMYB12L, related to anthocyanin biosynthesis in Paeonia suffruticosa. International Journal of Molecular Sciences. 20(5):1055.
Zhang Y., Xu S., Ma H., Duan X., Gao S., Zhou X., Cheng Y. 2021b The R2R3-MYB gene PsMYB58 positively regulates anthocyanin biosynthesis in tree peony flowers. Plant Physiology and Biochemistry. 164:279-288
Zhang, X.P., Jia, J.S., Zhao, M.Y., Li, C., Han, X. & Xu, Z.D. 2022 Identification and characterization of microRNAs involved in double-color formation in Paeonia suffruticosa ‘Shima Nishiki’ by high-throughput sequencing Hortic. Environ. Biotechnol. 63 125-135
Zhang, X.P., Xu, Z.D. et al. 2022 Advances on the Coloring Mechanism of Double-color Flowers in Plants. HortSciense 57 1120-1127
Zhang Y., Duan J., Wang Q., Zhang M., Zhi H., Bai Z., Zhang Y., Luo J. 2023 The Paeonia qiui R2R3-MYB transcription factor PqMYBF1 positively regulates flavonol accumulation. Plants. 12(7):1427.