Základy zbarvení modrého květu - Basics of blue flower colouration

Chemické struktury tří hlavních typů antokyanů

Modrá barva květu byl vždy spojován s něčím neobvyklým a žádaným. Modré růže zejména se považovalo za sen, který nelze uskutečnit. Modrá barva v okvětních lístcích je způsobena antokyany, které jsou členy metabolitů třídy flavonoidů. Můžeme diverzifikovat tři hlavní třídy antokyaninových pigmentů: kyanidový typ (dvě hydroxylové skupiny v B-kruhu) odpovědný za červené zbarvení, pelargonidinový typ (jedna hydroxylová skupina v B-kruhu) zodpovědný za oranžovou barvu a delfinidinový typ (tři hydroxylové skupiny v B-kroužku) zodpovědný za zbarvení fialovými / modrými květy a plody.[1] Hlavním rozdílem ve struktuře uvedeného typu antokyanů je počet hydroxylových skupin v B-kruhu antokyaninu. V monomerním stavu však antokyany nikdy nevykazují modrou barvu ve slabě kyselém a neutrálním pH. Mechanismus tvorby modré barvy je ve většině případů velmi komplikovaný, přítomnost pigmentů typu delfinidinu není dostatečná, velkou roli hraje také pH a tvorba komplexů antokyanů s flavony a kovovými ionty.[2]

Mechanismy

Mechanismy tvorby modré barvy

Vlastní sdružení je v korelaci s koncentrací antokyanů. Když je koncentrace vyšší, můžeme pozorovat změnu maxima absorbance a zvýšení intenzity barvy. Molekuly antokyanů se sdružují, což vede k silnější a tmavší barvě.[3][4]

Společná pigmentace stabilizuje a chrání antokyany v komplexech. Ko-pigmenty jsou bezbarvé nebo mají slabě žlutou barvu. Ko-pigmenty jsou obvykle flavonoidy (flavony, flavonoly, flavanony, flavanoly), další polyfenoly, alkaloidy, aminokyseliny nebo organické kyseliny. Nejúčinnějšími ko-pigmenty jsou flavonoly jako rutin nebo kvercetin a fenolové kyseliny jako kyselina sinapová nebo kyselina ferulová.[5] Sdružení ko-pigmentu s antokyanem způsobuje bathochromní účinek, posun absorpčního maxima na vyšší vlnovou délku, ve výsledku můžeme pozorovat změnu barvy z červené na modrou.[3] Tento jev se také nazývá bluingový efekt. Můžeme diverzifikovat dva typy ko-pigmentace, intermolekulární a intramolekulární. V prvním typu je ko-pigment vázán na antokyan nekovalentní vazbou (vodíková vazba, hydrofobní interakce, iontová interakce).[5] U druhého typu můžeme pozorovat kovalentní acylaci glykosylové skupiny antokyanů. Intramolekulární ko-pigmentace má silnější účinek na barvu. Tento typ ochranného stohování se nazývá také sendvičový stohování a je velmi běžným mechanismem při tvorbě modré barvy květu.[6] Tirantin přítomný v Clitoria ternatea (hrachor motýlový) a phacelianin přítomný v Phacelia campanularia jsou příklady pigmentů s intramolekulární ko-pigmentací.[2]

Květina z Clitoria ternatea (vlevo) a Phacelia campanularia (že jo)

Komplexace kovů: Modrá barva květu často koreluje s přítomností antokyanů v komplexech s ionty kovů. Metaloanthocyaniny jsou složeny z antokyanů, flavonů a kovových iontů ve stochiometrickém množství 6: 6: 2.[2] Typickými kovy v antokyaninových komplexech jsou železo (Fe), hořčík (Mg), hliník (Al), měď (Cu), draslík (K) a cín (Sn). Antokyany, které mohou tvořit komplexy s kovovými ionty, jsou pouze typu kyanidinu nebo delfinidinu, protože v B-kruhu musí být přítomny alespoň dvě volné hydroxylové skupiny[7]

Příklady metaloanthocyaninů: Commelinin izolovaný z Commelina communis obsahuje malonylawobanin (typ delfinidinu), flavocommelin (jako ko-pigment) a ionty hořčíku ve stochiometrickém poměru 6: 6: 2.[2]

Commelina communis

Protocyanin je modrý pigment chrpy (Centaurea cyanus ). Je složen ze sukcinylkyaninu (antokyaninu), malonylflavonu (ko-pigmentu), aniontů železa a hořčíku a dvou iontů vápníku ke stabilizaci komplexu. Zajímavé je, že stejný antokyan, pokud není v komplexu s kovovými ionty, je přítomen v okvětních lístcích červené růže.[8]

Chrpa (Centaurea cyanus )

Fuzzy pigmenty komplexu kovů: V modře zbarvených květinách můžeme místo metaloanthocyaninů často najít nestechiometrické kovové komplexní pigmenty stabilizované ko-pigmentací. Tyto pigmenty vykazují modrou barvu pouze ve vodném roztoku a jsou méně stabilní než metaloanthocyaniny.[2] Příklad tohoto druhu pigmentu je přítomen v hortenzií. Hlavním antokyanem je zde delphinidin-3-glukosid, který by měl vést k tvorbě modrého květu, ale jsou zde také kultivary s červenými a růžovými květy. Je známo, že okyselení půdy může způsobit změnu barvy květu hortenzie z červené / růžové na modrou / fialovou. Vysvětlení tohoto jevu můžeme najít v molárním poměru ko-pigmentu (kyselina acylquninová) k antokyaninu, který je mnohem vyšší v modrých buňkách, také hladina Al3 + iontů je vyšší v modrých květech. Navíc je pH modré buňky kolem 4,1 a červená kolem 3,3. Tato supramolekula je relativně nestabilní a snadno se může rozpadnout v důsledku změny koncentrace složek nebo podmínek pH, což vysvětluje, proč má modrá barva v hortenzií sepaly nízkou stabilitu.[2]

Hortenzie s různými barvami květin

Vliv vakuového pH na barvu květu: Teorie pH byla prvním konceptem, který se snažil vysvětlit tajemství tvorby modré barvy v okvětních lístcích. První pozorování ukázalo, že kyanin extrahovaný z modré chrpy mění barvu vodného roztoku při různém pH. V kyselém rozsahu byl pigment červený, ale v alkalickém roztoku modrý. Vede k závěru, že zvýšení pH v buněčné vakuole by mělo způsobit zvýšení modrého zbarvení. Tento jev můžeme pozorovat v okvětních listech ranní slávy (Ipomoea tricolor) a japonských modrých ranních sláv (Ipomoea nil). Během vývoje květu můžeme pozorovat změnu barvy květu z fialové na modrou. Svlačec má pouze jeden antokyan typu delfinidinu a jeho složení se během vývoje květu nemění, ale změna barvy je způsobena zvýšením pH ve vakuole barevných buněk ze 6,6 v pupenech na 7,7 v plně vyzrálých květinách. V rané fázi vývoje je kyselé pH udržováno protonovými pumpami, ve druhém stupni je za vakuolární alkalizaci odpovědný výměník K + / H +.[9][10]

Ranní sláva (Ipomoea tricolor) s různými fázemi vývoje květu, pupeny mají růžovou barvu, když je zralý květ modrý

Molekulární základ

Cesta biosyntézy antokyanů je nyní dobře známá a byla charakterizována většina enzymu. Při tvorbě modrých pigmentů hraje obzvláště důležitou roli několik enzymů. Těmito enzymy jsou zejména flavonoid 3'5'-hydroxyláza (F3'5'H) a dihydroflavonol 4-reduktáza (DFR).

The flavonoid 3'5'H-hydroxyláza je odpovědný za zavedení druhé a třetí hydroxylové skupiny do B-kruhu dihydrokaempferolu (DHK) nebo naringeninu, které jsou považovány za hlavní substráty reakce. Produktem reakce s DHK je dihydromyricetin (DHM), prekurzor pro syntézu všech antokyanů typu delfinidinu. Enzym je členem rodiny proteinů cytochromu P450 (P450s). Je to velmi různorodá skupina oxidáz obsahujících hem, které katalyzují oxidaci závislou na NADPH nebo NADH. F3'5'H byl klasifikován do podrodiny CYP75A.[11] Tento enzym je považován za nezbytný pro tvorbu modrého pigmentu.

Dihydroflavonol 4-reduktáza je oxidoreduktáza, která katalyzuje v přítomnosti NADPH stereospecifickou redukci ketoskupiny v poloze 4 dihydroflavonolů za vzniku bezbarvých leucoanthocyanidinů jako předchůdce tvorby antokyanů. Enzym může vykazovat substrátovou specificitu s ohledem na vzorec hydroxylace B-kruhu dihydroflavonolu, a může proto mít vliv na typ vytvořeného antokyanu. Pro tvorbu modrého pigmentu je nezbytný enzym, který jako substrát přijímá dihydromyricetin (DHM). Produkt reakce DFR s DHM v následujících krocích dráhy se převede na modré pigmenty delfinidinového typu.[12]

Pěstování

U některých ekonomicky velmi důležitých květů, jako jsou růže, karafiáty a chryzantémy, nebylo přes velké úsilí možné květy s modrým zbarvením okvětních lístků rozmnožit. Nedostatek enzymu F3'5'H a tedy antokyanů typu delfinidinu je důvodem, proč nebylo možné získat barvu modrého květu.[Citace je zapotřebí ]

Modré karafiáty

Odrůda fialového karafiátu

Delphinidinové akumulační karafiáty (Dianthus caryophyllus) byly získány nadexpresí petunie F3'5'H a DFR v kultivarech bez endogenní aktivity DFR. Výsledkem bylo několik kultivarů s různým fialovým odstínem květů.[13][14]

Modré růže

Odrůda modré růže „Potlesk“

Růže je obzvláště obtížné získat modrou / fialovou barvu květu. Hlavními překážkami byly nedostatek F3'5'H a nepříznivé pH vakuoly. Mnoho kultivarů bylo vyšetřeno, aby si vybrali ten správný pro genetickou modifikaci. Nakonec byly květy s fialovými / modrými odstíny získány nadměrnou expresí violy F3'5'H, sníženou regulací endogenního DFR a současně nadměrnou expresí iris (Iris x hollandica) DFR. Ve výsledku těchto modifikací květiny akumulují v okvětních lístcích téměř výlučně pigmenty typu delfinidinu.[15]

Kromě toho hybridizátoři v celé historii pěstování růží učinili několik kroků směrem k produkci odrůd růží s barvami v rodinách barev levandule, fialové a fialové.[Citace je zapotřebí ]

Tyto barvy byly vrcholem módy, zejména na konci 19. století, kdy průmyslová revoluce učinila syntetické barevné pigmenty levnými a poprvé široce dostupnými. Jasné odstíny královské fialové, fialové a modré se přirozeně staly nesmírně populární a módní, protože tyto barvy byly dříve dostupné pouze pro extrémně bohaté lidi. Pigmenty pro vytvoření těchto barev byly dříve velmi vzácné.[Citace je zapotřebí ]

Během tohoto období bylo vytvořeno několik tříd zahradních růží s purpurovými a fialovými květy, aby odrážely rostoucí trend popularity těchto dříve luxusních a vzácných barev.[Citace je zapotřebí ]

Pozoruhodné příklady populárních historických růží, které dnes růžiaři stále pěstují, jsou růže gallica „Cardinal de Richelui“; hybridní trvalka „Reine des violettes“ a setigera rambler růže „Veilchenblau“.[Citace je zapotřebí ]

Jejich fialové květinové barvy jsou způsobeny komplexy kyanidinu s molekulami cukru, kovovými komplexy a taniny, které se přirozeně vyskytují v okvětních lístcích.[Citace je zapotřebí ]

Na počátku 20. století byl na světový obchod ze Středního východu zaveden nový druh růže zvaný Rosa foetida 'bicolor'. Má květy, které jsou světlé odstíny máslové žluté, oranžové a sametově krvavě červené, což zavedlo nové genetické rysy, které náhodně a shodou okolností vytvořily cestu k nové levanduli a modrým pigmentům, které jsou nezávislé na delphinidinu, modrém pigmentu, který se přirozeně nenachází v růžích .[Citace je zapotřebí ]

Tato cesta zahrnuje závěrečné fáze syntézy flavanoidových pigmentů, které by normálně způsobily, že květy vypadají žlutě nebo oranžově. Tento nový druh nesl malé stopy nepoužitých genů, které umožňovaly produkci jiného typu modrého pigmentu zvaného rosacyanin, který se u většiny růží přestal používat ve prospěch produkce květinových vůní k přilákání opylovačů.[Citace je zapotřebí ]

Rosacyanin umožňuje růžím přicházet v jemných fialových, levandulových a skutečně modrých odstínech.[Citace je zapotřebí ]

Tyto barvy lze vidět mimo jiné u hybridních čajových růží „Sterling Silver“, „Blue Girl“ a „Blue Moon“, které pocházejí ze žlutých růží. Nejvíce pozoruhodně populární žlutá hybridní čajová růže zvaná „Peace“, která byla pojmenována na památku konce druhé světové války, byla hojně používána při hybridizaci a zplodila většinu původních hybridních čajů z levandule.[Citace je zapotřebí ]

V roce 2004 japonská společnost Suntory vytvořila modrou růži, pojmenovanou Potlesk.[16]

K soustředění těchto přirozených genetických faktorů a kofaktorů bude nutné další hybridizační pokroky, vědecké studie a případně další genetické inženýrství, než budou růže schopny přijít v hlubokých odstínech pravé modré.[Citace je zapotřebí ]

Viz také

Reference

  1. ^ Harborne, Jeffrey B (1988). Harborne, J. B (ed.). Flavonoidy. doi:10.1007/978-1-4899-2913-6. ISBN  978-0-412-28770-1. S2CID  31877853.[stránka potřebná ]
  2. ^ A b C d E F Yoshida, Kumi; Mori, Mihoko; Kondo, Tadao (2009). „Vývoj modré barvy anthocyaniny: od chemické struktury po fyziologii buněk“. Zprávy o přírodních produktech. 26 (7): 884–915. doi:10.1039 / b800165k. PMID  19554240.
  3. ^ A b Asen, S .; Stewart, R.N .; Norris, K.H. (Březen 1972). „Ko-pigmentace antokyanů v rostlinných tkáních a její účinek na barvu“. Fytochemie. 11 (3): 1139–1144. doi:10.1016 / s0031-9422 (00) 88467-8.
  4. ^ Maarit., Rein (2005). Kopigmentační reakce a barevná stabilita bobulovitých antokyanů. (Yliopistopaino). Helsinki: Helsinská univerzita. ISBN  978-9521022920. OCLC  76863992.[stránka potřebná ]
  5. ^ A b Brouillard, R .; Mazza, G .; Saad, Z .; Albrecht-Gary, A. M .; Cheminat, A. (březen 1989). „Ko-pigmentační reakce antokyanů: mikrosonda pro strukturní studium vodných roztoků“. Journal of the American Chemical Society. 111 (7): 2604–2610. doi:10.1021 / ja00189a039.
  6. ^ Brouillard, Raymond (leden 1981). "Původ výjimečné barevné stability antokyanů Zebrina". Fytochemie. 20 (1): 143–145. doi:10.1016 / 0031-9422 (81) 85234-x.
  7. ^ Pericles., Markakis (1982). Antokyany jako potravinové barvy. Oxford: Elsevier Science. 41–68. ISBN  9780323157902. OCLC  831116495.
  8. ^ Shiono, Masaaki; Matsugaki, Naohiro; Takeda, Kosaku (10. srpna 2005). "Struktura modrého pigmentu chrpy". Příroda. 436 (7052): 791. doi:10.1038 / 436791a. PMID  16094358. S2CID  4312804.
  9. ^ .戴思兰, 洪 艳. „基于 花青素 苷 合成 和 呈色 机理 的 观赏 植物 花色 改良 分子 育种“ [Molekulární šlechtění pro úpravu barev květů na okrasných rostlinách na základě mechanismu biosyntézy a zbarvení antokyanů]. 中国 农业 科学 (v čínštině). 49 (3). doi:10.3864 / j.issn.0578-1752.2016.03.011.CS1 maint: ostatní (odkaz)
  10. ^ Yoshida, Kumi; Kawachi, Miki; Mori, Mihoko; Maeshima, Masayoshi; Kondo, Maki; Nishimura, Mikio; Kondo, Tadao (březen 2005). „Zapojení protonových čerpadel Tonoplast a výměníků Na + (K +) / H + při změně barvy okvětních lístků během otevírání květů Morning Glory, Ipomoea tricolor cv. Heavenly Blue“. Fyziologie rostlin a buněk. 46 (3): 407–415. doi:10.1093 / pcp / pci057. PMID  15695444.
  11. ^ Tanaka, Yoshikazu (31. října 2006). „Barva květu a cytochromy P450“. Recenze z fytochemie. 5 (2–3): 283–291. doi:10.1007 / s11101-006-9003-7. PMC  3538422. PMID  23297355.
  12. ^ Johnson, Eric T .; Ryu, Sunhyo; Yi, Hankuil; Shin, Byongchul; Cheong, Hyeonsook; Choi, Giltsu (23. prosince 2001). „Změna jedné aminokyseliny mění substrátovou specificitu dihydroflavonol 4-reduktázy“. The Plant Journal. 25 (3): 325–333. doi:10.1046 / j.1365-313x.2001.00962.x. PMID  11208024.
  13. ^ Tanaka, Yoshikazu; Brugliera, Filippa; Kalc, Gianna; Senior, Mick; Dyson, Barry; Nakamura, Noriko; Katsumoto, Yukihisa; Chandler, Steve (22. května 2014). "Květinová barevná modifikace inženýrstvím biosyntetické dráhy flavonoidů: Praktické perspektivy". Bioscience, biotechnologie a biochemie. 74 (9): 1760–1769. doi:10,1271 / bbb.100358. PMID  20834175. S2CID  23218549.
  14. ^ "Rostlina týdne: Modrý karafiát - Moondust, latinsky: Dianthus caryophyllus". University of Arkansas System Division of Agriculture.
  15. ^ Katsumoto, Y .; Fukuchi-Mizutani, M .; Fukui, Y .; Brugliera, F .; Holton, T. A .; Karan, M .; Nakamura, N .; Yonekura-Sakakibara, K .; Togami, J .; Pigeaire, A .; Tao, G.-Q .; Nehra, N. S .; Lucie.; Dyson, B. K .; Tsuda, S .; Ashikari, T .; Kusumi, T .; Mason, J. G .; Tanaka, Y. (28. září 2007). „Engineering of the Rose Flavonoid Biosynthetic Pathway Successfully Generated Blue-Hued Flowers Accumulation Delphinidin“. Fyziologie rostlin a buněk. 48 (11): 1589–1600. doi:10,1093 / pcp / pcm131. PMID  17925311.
  16. ^ "Vývoj modré růže | Suntory Global Innovation Center". Suntory.

Další čtení

  • Fukui, Yuko; Kusumi, Takaaki; Masuda, Katsuyoshi; Iwashita, Takashi; Nomoto, Kyosuke (duben 2002). "Struktura rosacyaninu B, nového pigmentu z okvětních lístků Rosa hybrida". Čtyřstěn dopisy. 43 (14): 2637–2639. doi:10.1016 / S0040-4039 (02) 00305-2.