Jak zwiększyć poziom karotenoidów w roślinach uprawnych

Karotenoidy stanowią grupę pigmentów, pomagających roślinom zbierać światło dla potrzeb fotosyntezy oraz działają jak filtr słoneczny chroniący rośliny. Zwierzęta potrzebuję również karotenoidów jako źródła witaminy A i dla ochrony przed wieloma chorobami przewlekłymi, w tym nowotworami i chorobami układu krążenia.

Ponieważ większość zwierząt nie może samodzielnie produkować karotenoidów, muszą je otrzymywać z roślin w diecie. Celem finansowanego przez UE projektu CAROTENACTORS (Dissecting carotenoid-related protein interaction dynamics for tailoring healthier crops) było lepsze zrozumienie, w jaki sposób rośliny regulują i produkują te pigmenty, aby wyprodukować rośliny uprawne bogate w karotenoidy.

Rośliny wytwarzają karotenoidy w skomplikowanej ścieżce biochemicznej obejmującej wiele genów i enzymów. Aby uniknąć wytwarzania zbyt dużej lub zbyt małej ilości karotenoidów, ścieżka ta jest ściśle regulowana, ale badacze wciąż nie wiedzą dokładnie, w jaki sposób.

W projekcie CAROTENACTORS postanowiono użyć modelu dla ustalenia, które mechanizmy regulują produkcję karotenoidów podczas dojrzewania pomidorów. Podczas dojrzewania pomidory zmieniają kolor z zielonego na czerwony z powodu obniżenia poziomu zielonych pigmentów chlorofilowych i podwyższonego poziomu pomarańczowych/czerwonych karotenoidów.

Poprzez monitorowanie zmian biochemicznych na poszczególnych etapach dojrzewania pomidorów badacze byli w stanie określić konkretne mechanizmy regulujące przejście od produkcji dużych ilości chlorofilu do dużych ilości karotenoidów. Podczas tego procesu badacze odkryli, że owoce zdają się wykorzystywać ponownie stary system komunikacji między roślinami na nowy sposób, dzięki któremu precyzyjnie sterują produkcją karotenoidów podczas dojrzewania.

W systemie tym główny pigment fotosyntetyczny, tj. chlorofil, poprzez filtrowanie promieni słonecznych, a tym samym "osłanianie" owoców zapobiega nadmiernej produkcji karotenoidów w niedojrzałych owocach. W trakcie dojrzewania owoców chlorofil rozkłada się, przepuszczając światło o określonym składzie spektralnym, co z kolei aktywuje składniki sygnalizujące światło, które ostatecznie modulują produkcję karotenoidów

Powyższe działanie światła wynika z promowania degradacji czynników transkrypcyjnych, które tłumią ekspresję genu kodującego enzym w znacznej mierze odpowiadający za produkcję karotenoidów. Wobec zaprzestania represji genu produkcja karotenoidu ulega pobudzeniu, powodując zaczerwienienie owoców.

Wiedza zdobyta podczas projektu może umożliwić naukowcom manipulowanie poziomami karotenoidów w roślinach, szczególnie roślinach uprawnych, aby przenieść korzyści dla ludzkiego zdrowia.