КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 1, с. 3–16
ОБЗОРЫ
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 свой"
ствах 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 по"
коящихся семенах каротиноиды локализуются в пластидах, где способствуют поддержанию струк"
турной целостности мембран и защите от разрушения запасных питательных соединений. Обсуж"
дается 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
DOI: 10.7868/S0015330315010133
ВВЕДЕНИЕ
Каротиноиды являются обязательным ком"
понентом пигментных систем всех фотосинте"
зирующих организмов. Мутантные растения,
лишенные каротиноидов, быстро погибают.
В процессе фотосинтеза выделяют четыре
основные функции, которые выполняют каро"
тиноиды: антенная, антиоксидантная, фото"
протекторная и структурная [4, 5].
Антенная (светособирающая) функция обу"
словлена возможностью каротиноидов под дей"
ствием света переходить в синглетное возбужден"
ное состояние. Затем энергия возбуждения каро"
тиноидов резонансным путем передается на
близлежащую молекулу хлорофилла. Однако
молекулы хлорофилла могут переходить в три"
плетное возбужденное состояние и сенсибилизи"
ровать таким образом образование синглетного
кислорода.
Антиоксидантная функция каротиноидов
заключается в том, что они способны предотвра"
щать повреждения, вызываемые образованием
триплетного хлорофилла и синглетного кислоро"
да [6, 7]. Механизм защитного действия кароти"
ноидов 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 функ"
ции фотопротекторов, т.е. защищают фотосин"
тетический аппарат от фотоокисления на слиш"
ком ярком свету. Переключение функций каро"
тиноидов с аккумулирования энергии света на ее
Каротиноиды – это желтые, оранжевые или
красные пигменты растений. В зеленых листьях
каротиноиды обычно незаметны из"за наличия
хлорофиллов. При разрушении хлорофиллов осе"
нью именно каротиноиды придают листьям ха"
рактерную желто"оранжевую окраску. Впервые
термин каротин предложил в 1831 г. немецкий хи"
мик Wackenroder [1] для обозначения пигмента,
который он выделил из корнеплода моркови и
кристаллизовал. Из осенних листьев желтые пиг"
менты были выделены в 1837 г. Berzelius [2], кото"
рый позже обнаружил их в зеленых листьях и на"
звал ксантофиллами (по"гречески xanthos – жел"
тый, phyllon – лист) по аналогии с хлорофиллами
(chloros – зеленый, phyllon – лист).
Для разделения фотосинтетических пигментов
Цвет [3] изобрел принципиально новый метод (ад"
сорбционную хроматографию), который позволил
ему не только выделить хлорофиллы a и b, но и по"
лучить три фракции желтых пигментов. Предпола"
гая 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).
Сокращения: Кар – каротиноиды; Хл – хлорофилл(ы).
Адрес для корреспонденции: Смоликова Галина Николаевна.
199034 Санкт"Петербург, Университетская наб., 7/9. Санкт"
Петербургский государственный университет, биологиче"
ский факультет, кафедра физиологии и биохимии растений.
Электронная почта: galina.smolikova@gmail.com
3
4
СМОЛИКОВА, МЕДВЕДЕВ
рассеивание происходит в виолаксантиновом
(ксантофилловом) цикле [8]. На сильном свету ви"
олаксантин превращается вначале в антераксан"
тин, а затем в зеаксантин, который способен рас"
сеивать излишек световой энергии в форме тепла.
На слабом свету происходит обратное превраще"
ние зеаксантина в виолаксантин.
Каротиноиды могут быть локализованы в раз"
личных 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 пиг"
мент–белковых светособирающих комплексов
(ССК) [4]. Каротиноиды, располагающиеся на
внутренней и внешней мембранах хлоропластов,
связаны с синтезом АБК и продукцией апокаро"
тиноидов [9].
Каротиноиды, не принимающие участия в фо"
тосинтезе и локализованные во внетилакоидных
структурах, иногда называют вторичными [10]. По
структурному разнообразию вторичных кароти"
ноидов значительно больше, чем первичных или
“фотосинтетических” каротиноидов. Особенно"
сти биосинтеза, физиология и адаптивное значе"
ние вторичного каротиноидогенеза наиболее
хорошо изучены у прокариот и одноклеточных
зеленых водорослей.
У высших растений каротиноиды гетеротроф"
ных и запасающих органов и тканей обычно на"
ходятся в хромопластах и обеспечивают желтую,
оранжевую и красную окраску плодов, лепестков
цветков, клубней и корнеплодов. Каротиноиды
также обнаружены в семенах всех высших расте"
ний [11, 12]. Однако в отличие от фотосинтезиру"
ющих тканей каротиноиды гетеротрофных орга"
нов и семян изучены очень слабо.
ФИЗИКО"ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КАРОТИНОИДОВ
В зависимости от наличия кислорода каротино"
иды делят на два класса: каротины (C 40H 56 ) – пиг"
менты, не содержащие кислород (α", β" и γ"каро"
тины), и ксантофиллы – пигменты, которые со"
держат кислород. Среди ксантофиллов выделяют
гидроксильные производные C 40H 54 (OH)2 – лютеин и зеаксантин и эпоксидные производные, на"
пример, виолаксантин и неоксантин (C 40H 56O 4 ),
которые содержат и гидроксильные, и эпоксид"
ные группы. Наиболее распространенными
каротиноидами растений являются β"каротин и
ксантофиллы − лютеин, виолаксантин и неоксан"
тин. На ярком свету в хлоропластах накапливают"
ся антераксантин и зеаксантин.
Большинство каротиноидов состоят из С40"уг"
леводородного остова, содержащего сопряжен"
ные двойные связи. Именно эта система двойных
связей выполняет функции хромофора и опреде"
ляет спектральные свойства конкретных кароти"
ноидов, которые имеют три или два пика (макси"
мума) поглощения света в диапазоне от 400 до
500 нм. Каротиноиды встречаются как в свобод"
ном состоянии, так и в виде гликозидов; они спо"
собны нековалентно связываться с белками и
мембранными липидами. Цис- и транс"стерео"
изомеры каротиноидов существенно различаются
по физико"химическим свойствам и выполняют
различные функции. Большинство природных
каротиноидов (ликопин, циклические каротины,
ксантофиллы) находятся в термодинамически бо"
лее стабильной все-транс"конфигурации, в то вре"
мя 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 пе"
рехвату (scavenging) свободных радикалов.
Наряду с удалением избытка активных форм
кислорода (АФК), каротиноиды модулируют фи"
зические свойства мембран, расширяя диапазон
фазового перехода из состояния геля в жидкокри"
сталлическую фазу [14]. Наиболее существенное
значение при взаимодействии каротиноидов с
мембранами имеет жесткая структура молекулы
каротиноида и наличие полярных групп, содержа"
щих кислород. Известно, что фазовые переходы
мембран из жидкокристаллического состояния в
гель и из геля обратно в жидкокристаллическое со"
стояние происходят при обезвоживании и гидра"
тации семян в процессе созревания и прорастания
соответственно [15]. Однако участие каротинои"
дов в процессах структурирования мембран в се"
менах практически не изучено.
Каротиноиды хорошо растворимы в хлоро"
форме, сероуглероде, бензоле и ацетоне, несколь"
ко 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 растворя"
ются в эфирах, но плохо в спиртах, а ксантофил"
лы – наоборот.
СИНТЕЗ КАРОТИНОИДОВ
Предшественником каротиноидов является
изопентенилпирофосфат (IPP, isopentenyl pyro"
phosphate), который в растениях может синтези"
роваться двумя независимыми метаболическими
путями – глицеральдегидфосфат"пируватным
или мевалонатным [17, 18]. В первом случае IPP
синтезируется в пластидах из 1"дезоксиксилуло"
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ
зо"5"фосфатата, который образуется из пирувата
и глицеральдегид"3"фосфата [19]. Второй путь
синтеза IPP протекает в цитоплазме из мевалоно"
вой кислоты. Перемещение IPP между пластида"
ми и цитоплазмой может осуществляться с помо"
щью мембранного переносчика, который выяв"
лен в пластидах [20].
Процесс синтеза каротиноидов условно делят
на 4 этапа [4, 18, 19, 21]. На первом этапе проис"
ходит сборка “углеродных скелетов” (рис. 1).
Предшественник каротиноидов (IPP) в обрати"
мой реакции, катализируемой изопентенилпиро"
фосфат"изомеразой (IPPI, isopentenylpyrophos"
phate isomerase), превращается в диметилаллилпирофосфат (DMAPP, dimethylallylpyrophosphate)
(рис. 1). Затем с участием фермента геранилгера"
нилпирофосфат"синтазы (GGPPS, GGPP syn"
thase) происходит образование геранилгеранилпирофосфата (GGPP, geranylgeranyl diphosphate) в
результате последовательного присоединения
трех молекул изопентенилпирофосфата (IPP) к
диметилаллилпирофосфату (DMAPP).
Второй этап связан с синтезом ликопина. Вна"
чале происходит конденсация двух молекул ге"
ранилгеранилпирофосфата с образованием С40
нециклического каротиноида фитоина (рис. 1).
Эта реакция катализируется ферментом фито"
инсинтазой (PSY, phytoene synthase). Затем моле"
кула фитоина подвергается реакциям десатура"
ции, катализируемым фитоиндесатуразой (PDS,
phytoene desaturase) и ζ"каротиндесатуразой
(ZDS, ζ"carotene desaturase), и реакции изомери"
зации, катализируемой ζ"каротинизомеразой
(Z"ISO, ζ"carotene isomerase) [21]. Вначале обра"
зуется бесцветный фитофлюин, а затем окра"
шенные каротиноиды: ζ"каротин, нейроспорин
и 7,9,7',9'"цис"ликопин. Завершающий процесс
связан с работой фермента каротиноидизомера"
зы (CRTISO, carotenoid isomerase), которая ката"
лизирует превращение 7,9,7',9'"цис"ликопина во
все"транс"ликопин.
На третьем этапе под действием ликопинцик"
лаз происходит циклизация молекулы ликопина
и образование циклических каротинов (рис. 1).
Циклизация ликопина – это точка раздела пути
биосинтеза каротиноидов на β"ветвь, которая ве"
дет 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 мем"
бранно"связанный фермент ликопин"β"циклаза
(LYCB, lycopene β"cyclase), который катализирует
образование циклических каротиноидов, содер"
жащих 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"ли"
нейной молекулы ликопина синтезируется наи"
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
5
более распространенный дициклический кароти"
ноид β-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). За"
тем с помощью LYCB происходит формирование
β"кольца и образование α-каротина. Таким обра"
зом в состав α"каротина и образующихся из него
каротиноидов (зейноксантина, α"криптоксанти"
на 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 (оксигенировани"
ем) каротинов и образованием ксантофиллов.
Armstrong и Hearst [22] образно сравнивают био"
синтез каротиноидов с перевернутым деревом, в
котором ствол – это реакции, присущие всем орга"
низмам, а крона является отражением разнообра"
зия ксантофиллов. Такое разнообразие достигает"
ся благодаря введению в молекулы ксантофиллов
различных кислородсодержащих групп (гидрокси"
, метокси", оксо", эпокси", карбокси" и альдегид"
ных). Выявлено более 600 модификаций молеку"
лярной структуры каротиноидов с уникальными
путями биосинтеза, различающихся по числу
двойных связей, пространственной конфигурации
и содержанию кислорода [4, 23].
Процесс образования ксантофиллов начинает"
ся 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 со"
держащая 2 атома негеминового железа β"каро"
тин"гидроксилаза (ВСН, β"carotene hydroxylase)
и/или цитохром"P450"монооксигеназа – CYP97A и
CYP97В. В результате сначала образуется β"крип"
токсантин, а затем − зеаксантин.
В гидроксилировании ε"колец каротиноидов
принимает участие ε"гидроксилаза (CYP97C, caro"
tene ε"ring hydroxylase), которая представляет со"
бой цитохром"P450"монооксигеназу [26]. Гидрок"
силирование β"колец при этом также катализиру"
ет β"гидроксилаза (HYDB). Итогом поочередной
работы ε" и β"гидроксилаз является формирова"
ние лютеина (рис. 1).
Превращение зеаксантина в антераксантин, а
затем в виолаксантин происходит на слабом свету
или в темноте с помощью фермента зеаксан"
тинэпоксидазы (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
6
СМОЛИКОВА, МЕДВЕДЕВ
IPPI
CH2OPP
CH2OPP
диметилаллилпирофосфат
изопентенилпирофосфат
GGPPS
OPP
геранилгеранилпирофосфат
PSY
15
PDS
15"цис"фитоин
15
9
PDS
9,15"цис"фитофлюин
15
9
9'
9,15,9'"цис"ζ"каротин
ZISO
9
9'
ZDS
9,9'"цис"ζ"каротин
7
9
9'
ZDS
7,9,9'"цис"нейроспорин
7
9
9'
7'
CRTISO
7,9,7',9'"цис"ликопин
все"транс"ликопин
LYCE
LYCB
δ"каротин
LYCB
α"каротин
HYDB
CYP97C
зейноксантин HO
HO
α"криптоксантин
HYDB
β"каротин
HYDB
β"криптоксантин
OH
OH
HO
лютеин
HYDB
CYP97C
OH
OH
HO
γ"каротин
LYCB
VDE
лютеин
HO
зеаксантин
ZEP
OH
O
HO
VDE
ZEP
антераксантин
OH
O
OH
O
АБК
COOH
O
виолаксантин
HO
Рис. 1. Синтез каротиноидов у высших растений.
IPPP – изопентенилпирофосфатизомераза; GGPPS – геранилгеранилпирофосфатсинтаза; PSY – фитоинсинтаза;
PDS – фитоиндесатураза; ZISO – ζ"каротинизомераза; ZDS – ζ"каротиндесатураза; CRTISO – каротиноидизомера"
за; LYCE – ликопин"ε"циклаза; LYCB – ликопин"β"циклаза; HYDB – β"каротингидроксилаза; CYP97C – ε"гидрокси"
лаза; VDE – виолаксантиндеэпоксидаза; ZEP – зеаксантинэпоксидаза.
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ
7
O
CHO
OH
β"циклоцитраль (C10)
O
β"ионон (C13)
COOH
АБК
CHO
CHO
β"апо"10'"каротиналь (C27)
ретиналь (витамин А) (C20)
Рис. 2. Апокаротиноиды, образующиеся при расщеплении β"каротина специфическими каротиноидными оксиге"
назами.
эпоксидации одного β"иононового кольца зеак"
сантин превращается в антераксантин. Последу"
ющая эпоксидация второго β"иононового кольца
приводит к превращению антераксантина в вио"
лаксантин. Реакция эпоксидации осуществляет"
ся на внешней стороне мембраны тилакоида при
рН 7.5 и требует присутствия НАДФ⋅Н и кисло"
рода [27]. На слишком ярком свету виолаксан"
тин превращается вначале в антераксантин, а за"
тем в зеаксантин. Этот процесс происходит на
внутренней стороне тилакоидной мембраны и
катализируется ферментом виолаксантинде"
эпоксидазой (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 био"
синтеза каротиноидов в семенах было выполнено
на мутантах кукурузы viviparous 5 (vp 5) с белым
эндоспермом, у которых был нарушен синтез фи"
тоинсинтазы [28]. При этом семена мутантных
растений отличались более низким содержанием
не только каротиноидов, но и АБК. Было выявле"
но два гена фитоиновой синтазы – PSY1 и PSY2,
которые различаются строением N" и C"конце"
вых доменов [29, 30]. Оказалось, что накопление
каротиноидов в эндосперме коррелирует с экс"
прессией 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, прак"
тически не содержит каротиноидов [31], в то вре"
мя как у пшеницы их уровень (в зависимости от
сорта) может варьировать от 0.1 до 4–5 мг на
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
грамм муки [33, 34]. Хорошо известно, что в рисе,
как и во всех зерновых, витамины и микроэлемен"
ты находятся в алейроновом слое, зародыше и се"
менных 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 спо"
собом повышения содержания каротиноидов в
эндосперме является создание трансгенных расте"
ний, сверхэкспрессирующих гены, кодирующие
ферменты синтеза каротиноидов, прежде всего
фитоинсинтазу. В результате удалось создать ком"
мерческие трансгенные линии риса (так называе"
мый “золотой рис”) с содержанием каротиноидов
в эндосперме от 1.6 до 37 мг/г сырого веса [35, 36].
Семена кукурузы, проса, сои, вики, люпина на"
капливают в основном лютеин, зеаксантин и в
меньших количествах β"каротин. При этом в семе"
нах различных сортов могут преобладать разные
типы каротиноидов. Так, например, лютеин явля"
ется основным каротиноидом белого проса, а зеак"
сантин – красного. Преобладающим каротинои"
дом семян тыквы является лютеин (более 50%), в
меньших количествах содержатся α" и β"каротин
[37]. В больших количествах лютеин накапливает"
ся в семенах масличных культур – подсолнечника
и рапса, а также арабидопсиса [38–40].
АПОКАРОТИНОИДЫ
У многих растений можно найти частично раз"
рушенные каротиноиды, известные как апокаротиноиды (рис. 2). Большинство апокаротиноидов
являются продуктами окислительного распада,
катализируемого семейством каротиноидных ди"
оксигеназ [41–43].
Каротиноид"расщепляющие
диоксигеназы
(CCD, carotenoid cleavage dioxygenases) имеют не"
сколько отличительных характеристик. Во"пер"
вых, для проявления каталитической активности
8
СМОЛИКОВА, МЕДВЕДЕВ
β"Каротин
CCD7
O
CCD8
O
MAX1
O
O
O
OH
Стригол
O
O
O
OH
O
O
Оробанхол
O
O
O
O
O
O
O
5"Дезоксистригол
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.
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 по"
следовательность, свойственная только этому се"
мейству ферментов [42]. У арабидопсиса выявле"
но 9 генов, кодирующих CCD. Функции некото"
рых из них в синтезе ряда апокаротиноидов уже
известны. В частности, согласованное функцио"
нирование CCD7 и CCD8 обеспечивает синтез
стриголактонов [44] (рис. 3), CCD1 обеспечивает
образование β"ионона, а пять 9"цис"эпоксикаро"
тиноид"диоксигеназ (NCED2, NCED3, NCED5,
NCED6 и NCED9, 9"cis"epoxycarotenoid dioxygen"
ases) принимают участие в синтезе АБК [45].
К апокаротиноидам относятся фитогормоны
АБК и стриголактоны, а также летучие и нелету"
чие соединения, которые широко используются в
качестве ароматизаторов, имитаторов вкуса и за"
паха. Такие продукты катаболизма каротиноидов,
как β"иононы, играют важную роль в качестве ат"
трактантов насекомых"опылителей [45].
Стриголактоны, так же как ауксины и цитоци"
нины, 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 микоризообра"
зующих грибов. Стригол стимулирует прорастание
семян растения"паразита стриги (Striga spp.), а
оробанхол является стимулятором прорастания
семян растений из сем. Заразиховые (Oroban"
chaceae). 5"Дезоксистригол как фактор ветвле"
ния необходим для образования мицелия и фор"
мирования симбиотических взаимоотношений
между растением и грибом"микоризообразова"
телем [48]. Стригол и дезоксистигол выявлены у
однодольных растений, в то время как оробан"
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ
хол обычно обнаруживается у двудольных расте"
ний [47].
ПЛАСТИДЫ – ХРАНИЛИЩА
КАРОТИНОИДОВ
Поддержание необходимого уровня каротино"
идов в растениях возможно не только на уровне ре"
гуляции экспрессии генов и активности фермен"
тов их биосинтеза, но также за счет формирования
необходимого количества пластид, способных к
запасанию этих пигментов [12]. К основным ти"
пам пластид относятся хлоропласты, хромопласты
и лейкопласты [49].
Хлоропласты содержат хлорофилл и участвуют
в фотосинтезе. Пластиды, которые содержат
больше каротиноидов, чем хлорофиллов, называ"
ют хромопластами. Именно хромопласты обу"
словливают желтую, красную или оранжевую
окраску многих цветков, плодов и осенних ли"
стьев. Хлоропласты могут превращаться в хромо"
пласты при старении листьев и созревании пло"
дов, в некоторых случаях этот процесс является
обратимым.
К непигментированным пластидам относят
пропластиды, этиопласты и лейкопласты. Пропластиды, которые обычно имеются в меристе"
матических клетках, содержат гомогенный
матрикс с небольшими инвагинациями внутрен"
ней мембраны. Пропластиды могут дифферен"
цироваться или в хлоропласты (на свету), или в
этиопласты (в темноте). В этиопластах содер"
жится протохлорофиллид a и небольшое количе"
ство каротиноидов, которые придают им блед"
ную желто"зеленую окраску [50]. Особенностью
строения этиопластов является наличие упоря"
доченной паракристаллической структуры (в
форме решетки), которая состоит из мембран"
ных везикул, известных как проламеллярные тела. Последние являются своеобразным резервом
мембранного материала для формирования ла"
меллярной структуры хлоропластов. Существует
предположение, что в состав мембран проламел"
лярных тел входят каротиноиды, которые
выполняют там стабилизирующую функцию.
Уже после нескольких часов экспозиции на све"
ту проламеллярные тела превращаются в тила"
коиды, протохлорофилл – в хлорофилл и в итоге
этиопласты – в хлоропласты. Однако, если
сформированные хлоропласты в течение дли"
тельного 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 накап"
ливаются в тех же пластидах, что и запасные пита"
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
9
тельные вещества [51–53]. В зрелых семенах каро"
тиноиды находятся в пропластидах, амилопластах
и элайопластах [12].
У высоко крахмалистых семян пшеницы, риса,
ячменя и кукурузы преобладают амилопласты; у
масличных семян специализированными пласти"
дами для запасания липидов являются элайопла"
сты [54]. Элайопласты способны запасать больше
каротиноидов, чем амилопласты, поэтому содер"
жание каротиноидов в масличных семенах, как
правило, выше, чем в крахмалистых семенах [38].
Основным каротиноидом семян является люте"
ин, который выявляется даже в бесцветных ами"
лопластах пшеницы [33, 34, 55].
В пластидах каротиноиды локализованы внут"
ри пластоглобул – липопротеидных структур, ко"
торые долгое время называли осмиофильными
глобулами или липидными каплями [56]. Внутри
пластоглобул пигменты более устойчивы к окис"
лению, что имеет значение для осуществления
ими антиоксидантной функции и защите тригли"
церидов и ненасыщенных липидов от действия
свободных радикалов [57]. В пластоглобулах ка"
ротиноиды находятся в основном в форме эфиров
жирных кислот (ЖК). Следует отметить, что эте"
рификация не затрагивает хромофорных свойств
пигментов и способствует повышению гидро"
фобных 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 се"
мян функциям каротиноидов относят участие в
синтезе АБК при их созревании и защиту от раз"
рушения запасных питательных соединений
(особенно масел) в покоящихся семенах. К важ"
ным, но недостаточно хорошо изученным функ"
циям каротиноидов следует также отнести функ"
цию 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 преж"
девременного прорастания семян и переход их в
стадию покоя. На первых этапах развития заро"
дыш получает АБК из тканей материнского расте"
ния, 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).
10
СМОЛИКОВА, МЕДВЕДЕВ
OH
O
O
виолаксантин
HO
NXS
изомераза
HO
•
O
O
HO
HO
неоксантин
OH
изомераза
O
HO
9"цис"виолаксантин
O
NCED
9"цис"неоксантин
OH
•
С25"апокаротиноид
OH
NCED
HO
С25"апокаротиноид
O
CHO
HO
ксантоксин
альдегидоксидаза
SDR
редуктаза
O
HO
COOH
OH
O
CHO
ксантоксиновая кислота абсцизовый альдегид
AOO
SDR
OH
O
OH
O
CH2OH
абсцизовый спирт
оксидаза
COOH
абсцизовая кислота (АБК)
Рис.4. Синтез АБК у высших растений.
NXS – неоксантин"синтаза; NCED – 9"цис"эпоксикаротиноиддиоксигеназа; SDR – короткоцепочечная дегидроге"
наза/редуктаза; AOO – оксидаза абсцизового альдегида.
Ранние этапы биосинтеза АБК в незеленых
частях растений (как и в зеленых) протекают в пла"
стидах [60, 62]. Синтез АБК начинается с изомери"
зации виолаксантина (рис. 4). В результате изоме"
ризации 7′"двойной связи, сопровождающейся
раскрытием эпоксидного кольца, происходит пре"
вращение виолаксантина в неоксантин с участием
неоксантинсинтазы (NXS, neoxanthin synthase).
Изомеризация 9"двойной связи приводит к пре"
вращению полного транс"изомера виолаксантина
в 9"цис"виолаксантин, а неоксантина – в 9"цис"
неоксантин. На следующем этапе при участии
Fe2+"содержащих 9"цис"эпоксикаротиноиддиок"
сигеназ (NCED, 9"cis"epoxycarotenoid dioxygenases)
происходит разрыв двойной связи в положении 11.
В результате С40"цепь каротиноидов распадается
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ
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 альдеги"
да при участии короткоцепочечной дегидрогена"
зы/редуктазы (SDR, short"chain dehydrogenases/re"
ductases). Затем абсцизовый альдегид окисляется
до АБК с помощью оксидазы абсцизового альде"
гида (AAO, aldehyde oxidases), которая содержит
молибденовый кофермент флавиновой природы.
Фермент активен только тогда, когда молибдено"
вый 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 абс"
цизовый спирт, который, как выяснилось в опы"
тах in vitro, может прямо превращаться в АБК [63]
(рис. 4).
В нормальных условиях содержание ксанто"
филлов, в том числе виолаксантина, в зеленых тка"
нях настолько превышает содержание АБК, что
скорость синтеза каротиноидов не лимитирует
синтез АБК. Поэтому, как уже отмечалось ранее,
активность зеаксантинэпоксидазы влияет на син"
тез АБК только в незеленых частях растения. На"
пример, значительное увеличение экспрессии ге"
нов зеаксантинэпоксидазы наблюдается в кончи"
ках 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 кукуру"
зы, которые преждевременно прорастали из"за не"
достатка АБК, были дефектны и по уровню каро"
тиноидов в зародышах [64]. Задержка прорастания
семян снимается с помощью флуридона, ингиби"
тора биосинтеза каротиноидов. Флуридон часто
используют, чтобы снять торможение развития се"
мян салата [65], томатов [66] и пшеницы [67].
С другой стороны, сверхэкспрессия генов, коди"
рующих зеаксантинэпоксидазу (ZEP) в табаке и
9"цис"эпоксикаротиноиддиоксигеназу (NCED) у
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
11
томатов, увеличивала накопление АБК в семенах,
что в свою очередь приводило к увеличению пе"
риода их покоя и задержке прорастания [59, 66].
Защита семян от старения. Старение семян рас"
сматривают 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 геноти"
пом [70]. Продолжительность старения у семян с
одним и тем же генотипом может сильно варьиро"
вать 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 каротинои"
ды локализованы в тех же пластидах (амилопла"
стах, элайопластах), в которых хранятся запасные
питательные вещества [23, 50, 56]. Являясь жиро"
растворимыми, каротиноиды способны защи"
щать масла семян от окисления. В стрессовых
условиях каротиноиды, запасаемые в пластогло"
булах, могут участвовать в перехвате АФК.
В основе повреждений, приводящих к старе"
нию семян, лежат процессы неферментативного
гликозилирования белков, генерация АФК и дру"
гих свободных радикалов, а также перекисное
окисление липидов [68, 69, 72, 73]. Эти реакции
не требуют высокого содержания воды и их про"
дукты способны накапливаться в семенах с низ"
ким уровнем влажности, что приводит к окисли"
тельным повреждениям мембран, белков и ДНК.
В защите семян от АФК принимают участие токо"
феролы, аскорбат и глутатион [74]. Не исключе"
но, что эти функции могут выполнять также и
каротиноиды. Установлено, что каротиноиды яв"
ляются 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 радика"
лов в молекуле каротиноида возрастает с увеличе"
нием числа компланарных (т.е. лежащих в одной
плоскости) конъюгированных двойных связей и
снижается с появлением кето" и гидроксильных
групп [76]. Взаимодействие каротиноидов со сво"
бодными радикалами зависит главным образом
от характера свободных радикалов, а не от типа
каротиноида [7].
Известно по меньшей мере четыре типа про"
цессов, приводящих к перехвату свободных ради"
12
СМОЛИКОВА, МЕДВЕДЕВ
калов каротиноидами, результатом которых явля"
ется 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 элек"
трона, соответственно, от или к радикалу RO•;
CAR(–H)• – каротиноидный радикал, образую"
щийся в результате передачи атома водорода;
(RO–CAR)• – каротиноидный аддукт"радикал.
Чем ниже влажность и температура окружаю"
щей среды, тем медленнее в семенах накаплива"
ются элементы повреждения и тем дольше они
способны храниться [69, 71], и наоборот, при по"
вышении влажности и температуры происходит
накопление элементов повреждения и ускоряется
процесс старения семян. На этом эффекте осно"
ван так называемый метод “ускоренного старе"
ния”, который заключается в том, что семена вы"
держивают в течение нескольких суток в условиях
повышенных температуры и влажности [69]. Этот
метод часто используется для оценки устойчиво"
сти семян к стрессовым воздействиям. При этом
в семенах инициируются процессы старения, ко"
торые при благоприятных условиях хранения идут
очень медленно (годы и даже десятилетия). Семе"
на, которые лучше переносят неблагоприятные
условия ускоренного старения, более устойчивы к
абиотическим стрессорам при прорастании.
В наших экспериментах анализировалось влия"
ние ускоренного старения на содержание в семе"
нах каротиноидов [75]. Для инициации ускорен"
ного старения воздушно"сухие семена капусты ин"
кубировали в течение 6 суток при 40°С и
86% влажности воздуха. Содержание влаги в семе"
нах при этом повышалось с 6 до 14%, что позволя"
ло ускорять процессы, приводящие к старению,
однако не допускало активации метаболизма. Бы"
ло установлено, что в семенах капусты условия
ускоренного старения индуцировали 2.5"кратное
повышение уровня каротиноидов, что косвенно
свидетельствует об их участии в защитных реакци"
ях семян от стрессовых воздействий.
Известно, что в стареющих клетках растений и
в созревающих плодах каротиноиды представлены
в основном находящимися в пластоглобулах пла"
стид ксантофиллами, которые отличаются ста"
бильностью и не разрушаются при деградации
хлорофиллов [77]. При этом в отличие от пигмен"
тов фотосинтезирующих тканей в плодах и цветках
ксантофиллы могут быть этерифицированы паль"
митиновой, стеариновой, миристиновой, либо ла"
уриновой кислотами. Такой же пул каротиноидов,
по"видимому, имеется и в пластидах семян. Лока"
лизованные в пластоглобулах ксантофиллы нахо"
дятся в основном в форме эфиров ЖК [23, 50].
Можно предположить, что в стрессовых условиях
происходит расщепление эфиров и переход каро"
тиноидов из связанного состояния в свободное.
Функции каротиноидов на различных этапах
формирования семян. У некоторых покрытосемен"
ных растений, называемых хлороэмбриофитами, на
ранних стадиях эмбриогенеза содержащиеся в за"
родыше амилопласты дифференцируются в фото"
синтетически активные хлоропласты [78, 79]. Этот
процесс сопровождается синтезом хлорофиллов a
и b, поэтому семена хлороэмбриофитов в течение
эмбриогенеза остаются зелеными и обладают спо"
собностью к фотосинтезу.
Особенность “темновых” реакций фотосинте"
за у формирующихся семян заключается в том,
что источником углерода может служить не СО2
воздуха, а сахароза, поступающая из материнско"
го растения [80]. При этом энергия НАДФ⋅Н и
АТФ, синтезируемых в световых реакциях, расхо"
дуется 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 ис"
пользуется при синтезе ЖК [80]. При образова"
нии ацетил"СоА из пирувата один углеродный
атом выделяется в виде СО2. Накопление СО2 мо"
жет вызывать подкисление цитозоля и снижать
скорость фотосинтеза, поэтому в семенах функ"
ционирует система рефиксации СО2. Из"за тако"
го типа метаболизма хлоропласты семян называ"
ют фотогетеротрофными. Фотосинтез также иг"
рает важную роль с точки зрения образования
“фотосинтетического” кислорода, что предот"
вращает гипоксию и поддерживает дыхание в раз"
вивающемся семени [81, 82].
Таким образом, “эмбриональный” фотосинтез
необходим для синтеза НАДФ ⋅ Н и АТФ, для ак"
кумуляции 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 фотопро"
текторную.
По мере накопления запасных питательных
веществ происходит нарушение гранальной
структуры хлоропластов, активность фотосинтеза
падает, а хлорофиллы начинают разрушаться [83].
Хлоропласты превращаются в амило" и элайо"
пласты, в которых накапливаются запасные пита"
тельные вещества. Триггером этого процесса мо"
жет являться прекращение поступления из мате"
ринского растения сахарозы [84]. При этом
каротиноиды разрушаются в меньшей степени,
выполняя функции, не связанные с фотосинте"
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ
зом. Основное количество каротиноидов в зре"
лых семенах локализовано, по"видимому, в пла"
стоглобулах в форме эфиров ЖК.
Однако существуют хлороэмбриофиты, в кото"
рых хлорофиллы после созревания семян дегради"
руют не полностью и присутствуют в остаточных
количествах [75]. Так как гранальная система хло"
ропластов в зрелых семенах разрушается и система
переноса электронов в электрон"транспортной
цепи перестает функционировать, такие “остаточ"
ные” хлорофиллы становятся опасным источни"
ком свободных радикалов. Хлорофиллы являются
мощными фотосенсибилизаторами, и делокализо"
ванные в порфириновом ядре π"электроны легко
переходят в возбужденное состояние при попада"
нии даже небольших количеств квантов света.
Энергия их возбуждения обычно рассеивается тре"
мя способами – в виде флуоресценции, в виде теп"
ла или путем фотохимического тушения (quench"
ing). Поскольку фотохимического тушения в семе"
нах с разрушенными тилакоидными мембранами
не происходит, велика вероятность акцептирова"
ния возбужденных электронов свободным кисло"
родом с образованием АФК.
Известно, что в защите семян от АФК принима"
ют участие токоферолы, аскорбат и глутатион [74].
Не исключено также, что эти функции могут вы"
полнять каротиноиды [12]. Выделяют физический
и химический механизмы антиоксидантного дей"
ствия каротиноидов.
Физический механизм предполагает, что ту"
шение триплетного хлорофилла (3Хл*) или син"
глетного кислорода (1О2) осуществляется за счет
перехода каротиноидов (Кар) в триплетное воз"
бужденное состояние (3Кар*) и дальнейшего рас"
сеивания энергии в виде тепла [7]:
3Хл*
1О
2
+ Кар → Хл + 3Кар*,
+ Кар → О2 + 3Кар*,
→ Кар + тепло.
Химический механизм тушения предполагает
окисление каротиноидов синглетным кислоро"
дом с образованием различных альдегидов и эн"
допероксидов [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 се"
менах, очень широк. При созревании семян они
выполняют специфические для фотосинтезирую"
щих тканей светособирающие и защитные функ"
ции, а также участвуют в синтезе АБК. В покоя"
щихся семенах каротиноиды осуществляют за"
щиту от разрушения запасных питательных
соединений. Очень важной функцией каротино"
идов является защита от свободных радикалов,
которые продуцируются при старении семян. Од"
3Кар*
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
13
нако 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, практи"
чески ничего не известно о функциях продуктов
окисления каротиноидов в семенах, образование
которых опосредовано активными формами кис"
лорода.
Работа выполнена при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментальных исследова"
ний (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 of"
ficinellen 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 Blätter im
Herbste // Ann. Pharm. 1837. V. 21. P. 257–262.
3. Tswett M. Über 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 Ra"
ton: 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 кис"
лород. Механизмы образования и пути дезактива"
ции 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 Bio"
logical 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 cy"
cle 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 biosyn"
thetic pathway: thinking in all dimensions // Plant Sci.
2013. V. 208. Р. 58–63.
10. Соловченко А.Е. Физиология и адаптивное значе"
ние вторичного каротиноидогенеза у зеленых мик"
роводорослей // 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 met"
al cation chelating capacity of astaxanthin. Does this
have any influence on antiradical activity? // Mole"
cules. 2012. V. 17. P. 1039–1054.
14
СМОЛИКОВА, МЕДВЕДЕВ
14. Стржалка К., Костецка-Гугала А., Латовски Д. Ка"
ротиноиды 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 ангидробиоти"
ческих организмов к обезвоживанию // Физиоло"
гия растений. 1999. Т. 46. С. 347–361.
16. Rodrigues-Amaya D.B., Kimura M. Handbook for Car"
otenoids 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 ac"
cumulation in plants // Biocat. Agric. Biotechnol.
2012. V. 1. № 3. P. 198–202.
20. Bick J.A., Lange B.M. Metabolic cross talk between cy"
tosolic and plastidial pathways of isoprenoid biosynthe"
sis: 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 caro"
tenoids – a metabolic balancing act // Trends Plant Sci.
2011. V. 16. №. 10. P. 532–540.
22. Armstrong G.A., Hearst J.E. Genetics and molecular bi"
ology of carotenoid pigment biosynthesis // FASEB J.
1996. V. 10. P. 228–237.
23. Britton G. Overview of carotenoid biosynthesis // Caro"
tenoids 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 func"
tional 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 reg"
ulation 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 phy"
toene desaturase, an enzyme of the carotenoid biosyn"
thetic 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 path"
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
way preceded evolution of the grasses // Plant Physiol.
2004. V. 135. P. 1776–1783.
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 daf"
fodil (Narcissus pseudonarcissus) phytoene synthase ac"
cumulates phytoene, a key intermediate of provitamin A
biosynthesis // Plant J. 1997. V. 11. P. 1071–1078.
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.
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.
Hentschel V., Kranl K., Hollmann J., Lindhauer M.G.,
Bohm V., Bitsch R. Spectrophotometric determination
of yellow pigment content and evaluation of caro"
tenoids by high"performance liquid chromatography in
durum wheat grain // J. Agric. Food Chem. 2002. V. 50.
P. 6663–6668.
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 en"
dosperm // Science. 2000. V. 287. P. 303–305.
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.
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.
Shewmaker C.K., Sheehy J.A., Daley M., Colburn S.,
Ke D.Y. Seed"specific overexpression of phytoene syn"
thase: increase in carotenoids and other metabolic ef"
fects // Plant J. 1999. V. 20. P. 401–412.
Lindgren L.O., Stålberg K.G., Hoglund A. Seed"specific
overexpression of an endogenous Arabidopsis phytoene
synthase gene results in delayed germination and in"
creased levels of carotenoids, chlorophyll, and abscisic
acid // Plant Physiol. 2003. V. 132. P. 779–785.
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.
Bouvier F., Isner J.-C., Dogbo O., Camara B. Oxidative
tailoring of carotenoids: a prospect towards novel func"
tions in plants // Trends Plant Sci. 2005. V. 10. №. 4.
P. 187–194.
Auldridge M.E., McCarty D.R., Klee H.J. Plant caro"
tenoid cleavage oxygenases and their apocarotenoid
products // Curr. Opin. Plant Biol. 2006. V. 9. P. 315–
321.
Caris-Veyrat С. Formation of carotenoid oxygenated
cleavage products // Carotenoids: Physical, Chemical,
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
КАРОТИНОИДЫ СЕМЯН: СИНТЕЗ, РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИИ
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
and Biological Functions and Properties / Ed. Landrum
J.T. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2010. P. 215–307.
Vogel J.T., Walter M.H., Giavalisco P., Lytovchenko A.,
Kohlen W., Charnikhova T., Klee H.J. SlCCD7 controls
strigolactone biosynthesis, shoot branching and mycor"
rhiza"induced apocarotenoid formation in tomato //
Plant J. 2010. V. 61. P. 300–311.
Walter M.H., Strack D. Carotenoids and their cleavage
products: biosynthesis and functions // Nat. Prod. Rep.
2011. V. 28. P. 663–692.
Gomez-Roldan V., Fermas S., Brewer P.B., PuechPagés 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.
Tsuchiya Y., McCourt P. Strigolactones: a new hormone
with a past // Curr. Opin. Plant Biol. 2009. V. 12.
P. 556–561.
Akiyama K., Matsuzaki K., Hayashi H. Plant sesquiter"
penes induce hyphal branching in arbuscular mycor"
rhizal fungi // Nature. 2005. V. 435. P. 824–827.
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.
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.
Bartley G., Scolnik P. Plant carotenoids: pigments for
photoprotection, visual attraction and human health //
Plant Cell. 1995. V. 7. P. 1027–1038.
Vishnevetsky M., Ovadis M., Vainstein A. Carotenoid se"
questration in plants: the role of carotenoid"associated
proteins // Trends Plant Sci. 1999. V. 4. P. 232–235.
Vishnevetsky M., Ovadis M., Zuker A., Vainstein A. Mo"
lecular mechanisms underlying carotenogenesis in the
chromoplast: multilevel regulation of carotenoid"asso"
ciated genes // Plant J. 1999. V. 20. P. 423–431.
Kirk J.T., Tiliney-Bassett R.A. Proplastids, etioplasts,
amyloplasts, chromoplasts and other plastids // The
Plastids: Their Chemistry, Structure, Growth and In"
heritance / Eds. Kirck S.T., Tiliney"Bassett R.A. Am"
sterdam: Elsevier/North"Holland Biomedical Press,
1978. P. 217–239.
Fratianni A., Irano M., Panfili G., Acquistucci R. Esti"
mation of color of durum wheat. Comparison of WSB,
HPLC, and reflectance colorimeter measurements //
J. Agric. Food Chem. 2005. V. 53. P. 2373–2378.
Brehelin C., Kessler F. The plastoglobule: a bag full of
lipid biochemistry tricks // Photochem. Photobiol.
2008. V. 84. P. 1388–1394.
Merzlyak M.N., Solovchenko A.E. Photostability of pig"
ments in ripening apple fruit: a possible photoprotective
role of carotenoids during plant senescence // Plant
Sci. 2002. V. 163. P. 881–888.
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.
Frey A., Godin B., Bonnet M., Sotta B., Marion-Poll A.
Maternal synthesis of abscisic acid controls seed devel"
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
72.
73.
74.
75.
15
opment and yield in Nicotiana plumbaginifolia // Plan"
ta. 2004. V. 218. P. 958–964.
Nambara E., Marion-Poll A. Abscisic acid biosynthesis
and catabolism // Annu. Rev. Plant Biol. 2005. V. 56.
P. 165–185.
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.
Schwartz S.H., Zeevaart J.A.D. Abscisic acid biosynthe"
sis and metabolism // Plant Hormones: Biosynthesis,
Signal Transduction, Action! / Ed. Davies P.J. Dor"
drecht, Heidelberg, London, New York: Springer,
2010. P. 137–155.
Rock C.D., Heath T.G., Gage D.A., Zeevaart J.A.D. Ab"
scisic alcohol is an intermediate in abscisic acid biosyn"
thesis in a shunt pathway from abscisic aldehyde //
Plant Physiol. 1991. V. 97. P. 670–676.
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.
Yoshioca T., Endo T., Satoh S. Restoration of seed ger"
mination at supraoptimal temperatures by fluridone, an
inhibitor of abscisic acid biosynthesis // Plant Cell
Physiol. 1998. V. 39. P. 307–312.
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"epoxy"
carotenoid dioxygenase gene causes over"production of
abscisic acid // Plant J. 2000. V. 23. P. 363–374.
Garello G., le Page-Degivry M.T. Evidence for the role
of abscisic acid in the genetic and environmental con"
trol of dormancy in wheat (Triticum aestivum L.) //
Seed Sci. Res. 1999. V. 9. P. 219–226.
McDonald M.B. Seed deterioration: physiology, repair
and assessment // Seed Sci. Technol. 1999. V. 27. P. 177–
237.
Смоликова Г.Н. Применение метода ускоренного
старения для оценки устойчивости семян к стрес"
совым воздействиям // Вестн. СПбГУ. Сер. 3. 2014.
Вып. 2. C. 82–93.
Nagel M., Börner A. The longevity of crop seeds stored
under ambient conditions // Seed Sci. Res. 2010. V. 20.
P. 1–12.
Walters C., Hill L.M., Wheeler L.G. Dying while dry: ki"
netics and mechanisms of deterioration in desiccation
organisms // Integr. Comp. Biol. 2005. V. 45. P. 751–
758.
Bailly C. Active oxygen species and antioxidants in seed
biology // Seed Sci. Res. 2004. V. 14. P. 93–107.
Веселовский В.А., Веселова Т.В. Перекисное окисле"
ние липидов, гидролиз углеводов и реакция Амадо"
ри–Майларда на ранних этапах старения сухих
семян // Физиология растений. 2012. Т. 59. С. 763–
770.
Hendry G.A.F. Oxygen, free radical processes and seed
longevity // Seed Sci. Res. 1993. V. 3. P. 141–153.
Смоликова Г.Н., Ламан Н.А., Борискевич О.В. Роль
хлорофиллов и каротиноидов в устойчивости се"
мян к абиотическим стрессорам // Физиология
растений. 2011. Т. 58. С. 817–825.
16
СМОЛИКОВА, МЕДВЕДЕВ
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 ви"
димого и УФ излучения как фотозащитный меха"
низм растений // Физиология растений. 2008. Т. 55.
C. 803–822.
78. Яковлев М.С., Жукова Г.Я. Покрытосеменные расте"
ния 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 biosyn"
thetic 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 de"
veloping 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 // Physi"
ol. 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.
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
том 62
№1
2015