Российские ученые совместно с иностранными коллегами исследовали возникновение темного пигмента в процессе роста зерна у ячменя и выяснили, что за него отвечают органеллы, ответственные за фотосинтез. Хотя точный механизм остается неизвестен, это открытие позволяет исследователям продвинуться вперед в понимании этого явления. Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Исследование поддержано Российским научным фондом.

Внешний вид организма очень важен для его жизни. С помощью подходящего окраса животные могут маскироваться среди окружающей среды, а растения привлекают насекомых-опылителей. За цвет отвечают специальные вещества — пигменты. Одним из них является меланин, самый древний представитель этой группы на Земле. Его синтезируют многие организмы, что говорит о высокой эволюционной значимости. Меланин окрашивает клетки в цвета от темно-коричневого до черного и присутствует в волосах, глазах и коже многих животных и человека, защищая организм от избыточного солнечного света. У растений он выполняет ту же функцию, а также придает прочность оболочкам зерна, предохраняя его от механических повреждений.

Ученые из Института цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук изучили молекулярные и клеточные основы формирования меланина у ячменя. Так как этот пигмент играет важную роль в адаптации, расширение знаний о его синтезе может оказаться полезным для сельского хозяйства.

Авторы работы исследовали образец ячменя, который содержит ген, отвечающий за развитие черной окраски колоса. Сперва ученые провели химический анализ пигмента в зернах ячменя. Он подтвердил, что за формирование черного цвета отвечает именно меланин. Затем авторы исследования пронаблюдали за процессом развития колоса. Черный цвет впервые появился на зернах в верхней части колоса на стадии поздней молочной спелости. Затем по мере созревания он распространялся по всему колосу до самого его основания. Чтобы фиксировать распределение пигмента, ученые разрезали зерна на разных стадиях созревания. Анализ под микроскопом показал, что темный пигмент появился впервые в защитной оболочке зерна — перикарпе. Более пристальное изучение этой области позволило ученым обнаружить, что окрашены были пластиды — характерные только для растений фотосинтезирующие органеллы. Ученые с помощью лазера обнаружили присутствие в этих органеллах хлорофилла (пигмента, отвечающего за фотосинтез) который в ходе развития зерна разрушался, а в клетках оставался только меланин.

На основании этих наблюдений авторы сделали вывод, что образование меланина происходит в хлоропластах — органеллах, ответственных за фотосинтез.

Для дальнейшего исследования авторы работы использовали электронный микроскоп. С его помощью ученые проанализировали структуру пластид и выяснили, что в клетках перикарпа окрашенных зерен целостность пластид сохраняется дольше, чем у неокрашенных. Также накопление меланина наблюдалось и в чешуях колоса, покрывающих зерна. Но если в перикарпе он всегда был в пластидах, то в чешуях обнаруживался в виде бесструктурных включений в цитоплазме. Авторы считают, что меланин клеток чешуй также образовывался в хлоропластах, но когда органеллы распадались, высвобождался в цитоплазму. По всей видимости, пигмент у ячменя образуется в стареющих хлоропластах перикарпа и чешуй, что не мешает процессу фотосинтеза в масштабе всего растения. Результаты исследования позволили ученым предположить, что в хлоропластах содержится ключевой фермент для синтеза меланина, а также его химический предшественник.

«Точный механизм синтеза меланина у растений остается неизвестным, но наше исследование позволило сделать определенные выводы. Мы впервые показали, что у растений, как и у животных, синтез меланинов осуществляется внутриклеточно. Разница в том, что у животных для этого приспособлены специализированные клетки и органеллы в них, а у растений меланогенез происходит в универсальных обособленных частях растительной клетки — хлоропластах. Мы пришли к выводу, что такой принцип синтеза меланина является общим как для животных, так и для растений. Проведенное исследование имеет важное фундаментальное значение для понимания механизмов образования меланиновых пигментов у растений, а также физиологических процессов, протекающих при созревании семян. Сделанное в работе открытие является основой для дальнейших исследований процесса меланогенеза», — прокомментировала Олеся Шоева, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН.

Исследование проводилось совместно с коллегами из Института генетики растений и исследований растениеводства имени Лейбница (Гатерслебен, Германия).