Токсин в картофеле произошел от горького соединения в томатах

Международная группа исследователей выяснила, что токсичное соединение α-соланин, содержащееся в растениях картофеля, является производным от горького на вкус α-томатина, который содержится в томатах. В исследовательскую группу вошли доцент Мизутани Масахару и исследователь Акияма Рёта из Университета Кобе, доцент Ватанабэ Бунта из Киотского университета, старший научный сотрудник Умэмото Наоюки из RIKEN и профессор Муранака Тосия из Университета Осаки.

Надеются, что эти результаты могут быть использованы в селекции картофеля как основа для подавления синтеза ядовитых соединений.

Результаты были опубликованы в международном академическом журнале Nature Communications 26 февраля.

Основные положения

• α-соланин — это токсичный стероидный гликоалкалоид (SGA), содержащийся в картофеле.
• α-томатин томата — это терпкий на вкус SGA, который накапливается в незрелых плодах.
• По химической структуре SGA делятся на два основных класса: соланиданы (напр., α-соланин) и спиросоланы (напр., α-томатин).
• Группа выяснила, что токсичный α-соланин в картофеле биосинтезируется из спиросолана.
• Они обнаружили, что ключевым ферментом для этого каталитического превращения является диоксигеназа DPS.
• Также было показано, что путь биосинтеза α-соланина в картофеле отделился от пути биосинтеза спиросоланов из-за эволюции DPS.

Исследовательские результаты

Картофель содержит токсичные соланиданы α-соланин и α-хаконин. Группа исследовала путь биосинтеза α-соланина. С помощью геномного редактирования они нарушили ген фермента в картофеле, сделав его неспособным производить α-соланин. При добавлении α-томатина (спиросолана из томатов) к этому мутанту происходило метаболическое превращение в соответствующий соланидан. Кроме того, это превращение подавлялось ингибитором 2-оксоглутарат-зависимой диоксигеназы, что указало на роль диоксигеназы в окислительной реакции синтеза соланиданов из спиросоланов.

Исследователи выделили ген 2-оксоглутарат-зависимой диоксигеназы (DPS), экспрессирующийся в картофеле во время синтеза α-соланина. В растениях с подавленной экспрессией гена DPS концентрация соланиданов была намного ниже, а вместо них накапливались спиросоланы. Измерение ферментативной активности DPS, полученного рекомбинантным способом в E. coli, подтвердило его уникальную каталитическую роль в превращении спиросолана в соланидан.

Это исследование показало, что способность картофеля производить α-соланин возникла благодаря эволюции DPS, который метаболически превращает спиросоланы (напр., α-томатин) в соланиданы. Известно, что у томатов также есть фермент для метаболизма спиросоланов. Горький α-томатин в незрелых плодах по мере созревания превращается в безвкусный и нетоксичный эскулеозид А. Катализатором этой реакции является 23DOX, также диоксигеназа.

Филогенетический анализ и положение генов в хромосомах показали, что биосинтаза α-соланина DPS эволюционировала из того же гена-предшественника, что и каталитический фермент 23DOX для α-томатина. Таким образом, считается, что эволюция гена диоксигеназы, метаболизирующей спиросоланы, является одним из главных драйверов развития структурного и функционального разнообразия SGA.

Перспективы

Картофель называют потенциально опасным продуктом, так как высокие концентрации токсичного α-соланина могут вызвать пищевое отравление. Надеются, что эти результаты могут лечь в основу создания будущих сортов картофеля, в которых биосинтез токсичных соединений подавлен путем воздействия на ген DPS.

Эволюционное происхождение структурного разнообразия SGA, как показано в этом исследовании, дает ключи к обнаружению неизвестных ферментов синтеза SGA, участвующих в биологических функциях у различных растений. Выяснение этих функций может проложить путь к молекулярной селекции сортов растений, способных адаптироваться к различным стрессовым условиям.