Генетика окраски цветов

Цвет цветка является результатом накопления молекул пигмента в клетках, но это не так просто, как просто производство пигмента. Местоположение, тип пигмента и его количество очень важны. Эти аспекты контролируются генетически.
Две основные группы генов контролируют окраску цветов. В одну группу входят гены, кодирующие белковый механизм, необходимый для производства молекул пигмента. Другая группа включает гены, кодирующие регуляторные белки. Именно регуляторные белки контролируют расположение, тип и количество механизмов, производящих пигмент.

В цветах антоцианы и каротиноиды являются двумя основными типами пигментов. Они образуются в результате ряда химических реакций внутри клеток.
Некоторые гены окраски цветов кодируют белковый механизм, непосредственно участвующий в реакциях. Эти белки называются ферментами. Задача фермента – катализировать биохимическую реакцию. Они облегчают присоединение, удаление или перегруппировку химических групп молекулы. Чтобы построить молекулу пигмента, различные ферменты вносят определенные изменения, один за другим, пока не образуется конечный продукт. Таким образом, работающие вместе ферменты образуют основу биохимического пути. Для одного биохимического пути могут потребоваться десятки или даже сотни ферментов.
В цветах разные группы ферментов работают вместе, чтобы сделать антоциановые или каротиноидные пигменты. Определенный набор генов кодирует ферменты пути биосинтеза антоцианов. Другой набор кодов для ферментов пути биосинтеза каротиноидов.

Антоцианы и каротиноиды производятся разными белковыми механизмами и имеют разную структуру. Посетите раздел «Химия цвета цветов» , чтобы узнать, как структура молекул пигмента определяет цвета, которые мы видим.

Антоцианы и каротиноиды — пигменты, окрашивающие многие цветы.

Ферменты работают вместе, как конвейер для создания молекул пигмента.

Вторая группа генов окраски цветков кодирует белки, называемые факторами транскрипции. Факторы транскрипции являются регуляторными белками. Каждый тип клеток имеет уникальный набор факторов транскрипции, которые контролируют активность генов. В различных типах клеток цветка факторы транскрипции переключают гены в антоциановых и каротиноидных путях вверх или вниз. Они также контролируют время активности генов. Вот почему, несмотря на то, что все цветочные клетки имеют одинаковое генетическое содержание, они не все имеют одинаковый цвет.
Факторы транскрипции работают через генетические переключатели. Каждый ген контролируется одним или несколькими переключателями. Переключатели — это не гены, а небольшие участки ДНК, влияющие на активность генов. Факторы транскрипции связываются с переключателем гена, увеличивая или уменьшая активность гена.

Изготовление розового и желтого цветка обезьяны

Чтобы прояснить ситуацию, давайте рассмотрим, как мартышка Mimulus lewisii приобретает свой цвет. Цветки M. lewisii имеют розовые лепестки из-за антоцианов. У них также есть две желтые направляющие нектара, окрашенные каротиноидами.
В клетке с розовыми лепестками факторы транскрипции активируют гены пути биосинтеза антоцианов. Многие гены в этом пути имеют сходный переключатель, поэтому они реагируют на одни и те же факторы транскрипции. Активированные гены производят белковые ферменты, которые они кодируют. Ферменты делают свою работу по производству антоцианового пигмента, и лепестки становятся розовыми.
На данный момент исследователям известно три фактора транскрипции, которые активируют гены биосинтеза антоцианов у M. lewisii . Они называются MIWD40a, MlANbHLH1 и PELAN. Все трое работают вместе как группа, чтобы активировать гены.
Похожая история объясняет, почему указатели нектара M. lewisii желтые. Белок фактора транскрипции, называемый RCP1, находится в направляющих клетках нектара, но не в других клетках лепестка. RCP1 включает гены, белковые продукты которых производят каротиноидные пигменты. Направляющие нектара желтые.

В большинстве клеток лепестков этого обезьяньего цветка факторы транскрипции активируют гены пути биосинтеза антоцианов. Клетки производят белки, из которых строятся розовые пигменты. В направляющих клетках нектара факторы транскрипции активируют гены пути биосинтеза каротиноидов. Белки сделаны, которые строят желтые пигменты.

Это не просто включено или выключено

Пример с обезьяньим цветком описывает, как факторы транскрипции активируют гены, но они также могут подавлять активность генов. В конце концов, редко бывает так просто, как включить или выключить гены пути. Обычно это баланс. Один тип клеток также может производить более одного типа пигмента, и уровни могут сильно различаться. Эта сложность является частью того, что позволяет существовать огромному разнообразию цветов цветов.
Лепестки обезьяньих цветов M. lewisii обычно имеют комбинацию белков факторов транскрипции. Они светло-розовые, потому что некоторые факторы транскрипции «повышают» активность генов, в то время как другие одновременно «уменьшают» ее. Когда один тип транскрипционного фактора удаляется, баланс активации генов смещается. Цвет цветка меняется.

Раскрашивание фруктов и овощей

Это не просто включено или выключено

Факторы транскрипции помогают контролировать окраску многих растений, включая фрукты и овощи.

Что активирует факторы транскрипции?

Цвет красных апельсинов обусловлен смесью каротиноидных и антоциановых пигментов. Они содержат антоциан-активирующий транскрипционный фактор, более активный при низких температурах. Это означает, что накопление антоцианов и цвет красных апельсинов различаются в зависимости от температуры.

Пример с обезьяньим цветком описывает, как факторы транскрипции активируют гены, но они также могут подавлять активность генов. В конце концов, редко бывает так просто, как включить или выключить гены пути. Обычно это баланс. Один тип клеток также может производить более одного типа пигмента, и уровни могут сильно различаться. Эта сложность является частью того, что позволяет существовать огромному разнообразию цветов цветов.

Раскрашивание фруктов и овощей

Факторы транскрипции также чувствительны к сигналам из окружающей среды. Сигналы могут влиять на количество создаваемого белка фактора транскрипции или гарантировать, что белок действует в нужное время и в нужном месте после его создания. Сигналы развития организма, общение клетки с соседями и сигналы окружающей среды, такие как свет, стресс и температура, могут влиять на активность факторов транскрипции.

Поскольку мы так много знаем о генетике окраски обезьяноцветов, мы можем использовать эти знания для исследования других вопросов. Например, исследователи используют обезьяньи цветы для изучения сверхдоминирования.
Сверхдоминирование — это когда гибридное потомство двух родителей имеет более экстремальные черты по сравнению с любым из родителей. Он встречается у многих различных растений и животных, но очень хорошо известен у сельскохозяйственных культур. Гибридные культурные растения часто дают более высокие урожаи, чем их «чистокровные» родители. Фермеры использовали гибридные культуры для повышения урожайности более века, не до конца понимая, почему это работает. Знание большего может помочь нам усилить его воздействие.

Этот гибрид обезьяньего цветка темнее, чем любой из его родителей.

У растений инбредная линия состоит из особей, которые генетически очень похожи. Они устанавливаются либо поколениями строгого скрещивания внутри линии, либо самоопылением.
Скрещивание двух инбредных линий дает гибридное потомство.

Чрезмерное доминирование в Monkeyflowers

У обезьяньего цветка M. lewisii сверхдоминирование влияет на интенсивность окраски цветка. Если скрестить две определенные инбредные линии — одну со светло-розовыми лепестками и одну с очень бледными лепестками, гибридное потомство будет темно-розовым. Исследователи обнаружили, что темно-розовый обезьяний цветок — это случай чрезмерного доминирования одного гена. Он темно-розовый, потому что имеет две формы (аллели) одного гена. Он получает по одному от каждого родителя.
Ген, ответственный за сверхдоминирование, называется FLAVONE SYNTHASE , или FNS . Он кодирует белок FNS . ФНС препятствует ферменту пути биосинтеза антоцианов. И FNS , и фермент используют один и тот же строительный материал, но производят разные конечные продукты. FNS забирает строительный материал из антоцианового пути и использует его для производства флавонов. Флавоны также важны для цвета обезьяньего цветка. После образования они связывают и стабилизируют антоцианы, предотвращая их расщепление.

Гибридная сила в культурных растениях

В сельскохозяйственных культурах гибридная сила (или гетерозис) описывает гибридное потомство, которое лучше, чем их родители. Долгое время молекулярная основа была неизвестна. Теперь мы знаем, что по крайней мере несколько случаев вызваны сверхдоминированием одного гена.
Одним из примеров является урожай томатов. Ген SINGLE FLOWER TRUSS ( SFT ) приводит к выработке белка флориген, гормона, который сообщает растениям, что пора зацветать. Растения помидоров очень чувствительны к количеству вырабатываемого флоригена. Слишком мало, и они не производят много цветов. Слишком много, и цветение замедляется или прекращается. Однако с одной рабочей и одной нерабочей версией гена SFT белок флориген вырабатывается на уровне, который позволяет растениям производить больше цветов. Чем больше цветов, тем больше помидоров.

Гибридные помидоры часто дают больше плодов.

Генетика, стоящая за цветом цветка, показывает, что на молекулярном уровне происходит многое, чтобы определить признак! Это справедливо для большинства признаков как у растений, так и у животных. На самом деле, чем больше мы узнаем, тем больше понимаем, что знакомые термины из классической генетики, такие как доминантный и рецессивный, рассказывают лишь небольшую часть истории. Чтобы узнать больше, посетите Что такое доминантный и рецессивный? и Доминантная/Рецессивная проблема .