چرا برخی گوجه‌فرنگی‌ها زرد هستند؟!

پژوهشگران کشف کرده‌اند که یک تغییر ژنتیکی منفرد در ژن YFT3، عملکرد آنزیمی حیاتی را که در تولید کاروتنوئیدها (رنگدانه‌های مسئول رنگ گوجه‌فرنگی) نقش دارد، مختل می‌کند. این ژن آنزیم ایزوپنتنیل دی‌فسفات ایزومراز (IDI1) را کد کرده که تعادل ظریف بین دو مولکول C5 ضروری (IPP و DMAPP) در مسیر سنتز ایزوپرنوئیدها را حفظ می‌کند.

هنگامی‌که یک اسید آمینه (سرین) در موقعیت ۱۲۶ با اسید آمینه دیگری (آرژنین) جایگزین می‌شود، این تعادل به هم خورده، عملکرد آنزیم ضعیف شده، تشکیل کروموپلاست مختل می‌گردد و در نهایت میزان لیکوپن (رنگدانه قرمزی که به گوجه‌فرنگی رنگ می‌دهد) به شدت کاهش می‌یابد. این یافته‌ها یک مکانیسم مولکولی کلیدی پشت رنگ‌دهی گوجه‌فرنگی را آشکار کرده و جایگاه Ser126 را به‌عنوان محلی حیاتی برای عملکرد آنزیم مشخص می‌کنند، که راهکارهای جدیدی برای بهبود کیفیت میوه از طریق روش‌های ژنتیکی پیشنهاد می‌دهد.

رنگ گوجه فرنگی به شدت به تجمع کاروتنوئیدها بستگی دارد؛ رنگدانه‌های طبیعی که هم از تولید مثل گیاه و هم از سلامت انسان حمایت می‌کنند. این رنگدانه‌ها از طریق مسیر ایزوپرنوئید تشکیل می‌شوند که وابسته به تبدیل دقیق دو بلوک سازنده مولکولی یعنی ایزوپنتنیل پیروفسفات (IPP) و دی‌متیل‌آلیل پیروفسفات (DMAPP) است. این تبدیل توسط آنزیم IDI1 انجام می‌شود و جریان ثابتی از متابولیت‌ها را برای تولید رنگدانه تضمین می‌کند.

هنگامی‌که این فرآیند مختل می‌شود، می‌تواند توسعه کروموپلاست و سطح رنگدانه‌ها را تغییر داده و در نتیجه هم رنگ میوه و هم ارزش غذایی آن دگرگون شود. اگرچه دانشمندان پیشرفت زیادی در رمزگشایی بیوسنتز کاروتنوئیدها داشته‌اند، شناسایی اسیدهای آمینه خاصی که فعالیت IDI1 را کنترل می‌کنند، دشوار بوده است؛ از این رو، بررسی دقیق‌تر چگونگی نقش‌آفرینی YFT3 در این مسیر حیاتی ضروری بود.

شناسایی جهش YFT3

تیمی تحقیقاتی از دانشگاه جیائو تونگ شانگهای، جهش تک‌نقطه‌ای در ژن YFT3 را که مسئول رنگ زرد میوه در گوجه‌فرنگی است، شناسایی کرده‌اند. یافته‌های آن‌ها که در مجله “Horticulture Research” منتشر شده، نشان می‌دهد که این جهش یک آنزیم حیاتی در مسیر ایزوپرنوئید را مختل کرده و انباشت کاروتنوئید را تضعیف می‌کند. این تیم از طریق کلونینگ مبتنی بر نقشه، سنجش‌های مولکولی و تجزیه و تحلیل‌های عملکردی in vivo نشان دادند که جایگزینی Ser126Arg در YFT3 فعالیت آنزیمی آن را از بین می‌برد و بینش جدیدی در مورد کنترل مولکولی رنگ‌دهی میوه ارائه می‌دهد.

پژوهشگران کشف کردند که جهش‌یافته گوجه‌فرنگی با میوه زرد (yft3) دارای یک الل نهفته از YFT3 است که نسخه جهش‌یافته‌ای از SlIDI1 را کد می‌کند؛ این آنزیم یک ایزومراز واقع در پلاستید است که مسئول تبدیل IPP به DMAPP است. این جهش، یک جابه‌جایی A→C در نوکلئوتید ۲۱۱۷، منجر به جایگزینی Ser126Arg می‌شود. با وجود سطح پروتئین و جایگاه پلاستیدی بدون تغییر، فعالیت آنزیمی به شدت کاهش یافت. تکمیل عملکردی، رنگ قرمز را بازگرداند، در حالی که خطوط حذفی (knockout) نیز از فنوتیپ زرد تقلید کردند و نقش ضروری YFT3 را تأیید نمودند.

بینش‌های مولکولی و ساختاری

تجزیه و تحلیل‌های دقیق بیان ژن، افزایش تنظیم ژن‌های مسیر کاروتنوئید (مانند DXS، DXR، HDR، PSY1 و …) را در yft3 و خطوط حذفی CRISPR نشان داد. با این حال، سنجش‌های بیوشیمیایی کاهش شدید سطح لیکوپن و کل کاروتنوئیدها را آشکار کرد که نشان می‌دهد افزایش تنظیم ژن‌ها نتوانسته کمبود آنزیمی را جبران کند. داکینگ مولکولی نشان داد که جهش Ser126، ساختار محل فعال را تغییر داده، اتصال فاکتور کمکی Mg²⁺ را مختل کرده و کارایی کاتالیزوری را کاهش می‌دهد. این یافته‌ها حاکی از آن است که Ser126 برای موقعیت‌یابی صحیح و عملکرد تعاملات سوبسترا-آنزیم در بیوسنتز کاروتنوئیدها حیاتی است. علاوه بر این، ساختار فوق‌العاده ضعیف کروموپلاست در خطوط yft3 و YFT3-KO نیز نقش YFT3 در توسعه رنگ و کیفیت میوه را بیشتر تأیید می‌کند.

دکتر لینگشیا ژائو، نویسنده ارشد مقاله، گفت:

این مطالعه به زیبایی یک تغییر تک اسید آمینه‌ای را به اثرات فنوتیپی در مقیاس بزرگ متصل می‌کند. با تشریح مکانیسم آنزیمی YFT3 و نشان دادن نقش حیاتی آن در متعادل‌سازی IPP و DMAPP در پلاستیدها، ما یک گلوگاه مولکولی را کشف کردیم که رنگ گوجه‌فرنگی را تعیین می‌کند. شناسایی Ser126 به‌عنوان یک باقیمانده کاتالیزوری کلیدی، راه را برای دستکاری هدفمند محتوای کاروتنوئید در میوه باز می‌کند. این نه تنها یک هدف امیدوارکننده برای بهبود ارزش زیبایی‌شناختی و تغذیه‌ای در گوجه‌فرنگی است، بلکه برای صفات گسترده‌تر محصولات زراعی مرتبط با ایزوپرنوئید نیز کاربرد دارد.

این کشف پتانسیل قابل‌توجهی برای بیوتکنولوژی کشاورزی و برنامه‌های اصلاح نژاد دارد. درک نقش YFT3 در تنظیم مسیر ایزوپرنوئید، یک دستگیره ژنتیکی دقیق برای اصلاح‌گران فراهم می‌کند تا رنگ‌دهی میوه و محتوای کاروتنوئید (صفات کلیدی برای جذابیت بازار و تغذیه) را بهبود بخشند. فراتر از گوجه‌فرنگی، این بینش‌ها ممکن است به سایر محصولات غنی از کاروتنوئید تعمیم یابد و به تلاش‌ها برای غنی‌سازی غذاها با ترکیبات پروویتامین A کمک کند. کارهای آینده می‌تواند راهبردهای ویرایش ژن را برای تنظیم فعالیت YFT3 یا بهینه‌سازی عملکرد ایزومراز در زمینه‌های متابولیکی مختلف بررسی کند. در نهایت، این پژوهش زمینه‌ساز رویکردهای مهندسی متابولیک می‌شود که تعادل بین عملکرد، جذابیت بصری و کیفیت تغذیه‌ای را در محصولات میوه‌ای ایجاد می‌کنند.

منبع: Scitechdaily