Взаимосвязь первичных метаболитов и бетанина в корнеплодах свеклы столовой (Beta vulgaris L.)

Актуальность. Беталаины это водорастворимые, тирозин-производные пигменты, подразделяющиеся на желто-окрашенные бетаксантины и красно-фиолетовые бетацианины. Наибольшая доля в группе бетацианинов приходится на бетанин, используемый в качестве натурального красителя красного цвета. Основным источником бетанина является высокоурожайная корнеплодная культура – свекла столовая, характеризующаяся лечебными, антиоксидантными свойствами, скороспелостью, длительной сохранностью корнеплодов, а также высоким содержанием биологически активных веществ, минеральных элементов и витаминов. Это исследование было вызвано недостатком информации, необходимой для селекционной работы по увеличению содержания бетанина в свекле.

Материалы и методы. Изучение метаболитного профиля использовано в качестве эффективного способа оценки и поиска взаимосвязи показателей отдельных метаболитов с содержанием бета- нина у группы перспективных образцов столовой свеклы из коллекции ВИР. Материалом для исследования послужила группа из 225 образцов. Состав метаболитов анализировали у выделенной группы из 23 образцов. Биохимический анализ выполнен в лаборатории биохимии и молекулярной биологии ВИР, количественный и качественный состав первичных метаболитов оценивали методом газо-жидкостной хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией.

Результаты. В составе экстракта корнеплодов опытных образцов было идентифицировано 17 свободных аминокислот. Наибольшее число положительных взаимосвязей с другими аминокислотами (r˃0,72) отмечено у тирозина, аланина и фенилаланина. Установлена значимая (r= -0,66) отрицательная корреляция бетанина с янтарной кислотой, которая, по результатам факторного анализа, сопряжена с беталамовой кислотой. Среди углеводов преобладала сахароза (95%). У сахарозы и мальтозы проявлялась слабая положительная взаимосвязь с бетанином. Среди жирных кислот доминировали ненасыщенная олеиновая и насыщенная пальмитиновая кислоты (соответственно 52% и 20% от суммарного содержания жирных кислот). Более скороспелые и холодостойкие образцы столовой свеклы характеризовались преобладанием ненасыщенных жирных кислот и пониженным содержанием бетанина. Выявленные взаимосвязи и особенности метаболитного профиля столовой свеклы важны для селекционной работы при создании сортов и гибридов с повышенным содержанием бетанина.

1. Шачек Т.М., Плитко Т.Ю., Севостьянов С.М. Разработка способа полу- чения натурального красителя из свеклы. Научные стремления. 2017;(21):35-39.

2. Herbach K.M., Stintzing F.C., Carle R. Stability and color changes of thermally treated betanin, phyllocactin, and hylocerenin solutions. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2006;(54):390–398. doi:10.1021/jf051854b

3. Aztatzi-Rugerio L., Granados-Balbuena S.Y., Zainos-Cuapio Y., Ocaranza-Sánchez E., Rojas-López,M. Analysis of the degradation of betanin obtained from beetroot using Fourier transform infrared spectroscopy. Journal of Food Science and Technology. 2019;56(8):3677–3686. doi:10.1007/s13197-019-03826-2

4. Cai Y., Sun Mei, Wu H., Huang R., Corke H. Characterization and quantification of betacyanin pigments from diverse Amaranthus species. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1998;(46):2063–2070. doi:10.1021/jf9709966

5. Castellanos-Santiago E., Yahia E.M. Identification and quantification of betalains from the fruits of 10 mexican prickly pear cultivars by high-performance liquid chromatography and electrospray ionization mass spectrometry. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008;(56):5758–5764. doi:10.1021/jf800362t

6. Stintzing F.C., Schieber A., Carle R. Rote Bete als farbendes Lebensmitteleine Bestandsaufnahme. Obst Gemuse Kartoffelverarbeitung. 2000;85(5/6):196−204.

7. Henriette M.C. Betalains: properties, sources, applications, and stability. Intern. Journal of Food Science and Technology. 2009;(44):2365-2376. doi:10.1111/j.1365-2621.2007.01668.x

8. Буренин В.И., Лудилов В.А., Соколова Д.В. Комплексное исследование генофонда столовой свеклы. Картофель и овощи. 2016;(2):39-40.

9. Kapadia G.J., Azuine M.A., Sridhar R., Okuda Y., Tsuruta A., Ichiishi E., Mukainake T., Takasaki M., Konoshima N.H., Tokuda H. Chemoprevention of DMBA-induced UV-B promoted, NORI-induced TPA promoted skin carcinogenesis, and DEN-induced phenobarbital promoted liver tumors in mice by extract of beetroot. Pharmacological Research. 2003;(47):141–148. doi:10.1016/s1043-6618(02)00285-2

10. Lechner J.F., Wang L.-S., Rocha C.M., Larue B., Henry C., McIntyre C.M., Riedl K.M., Schwartz S.J., Stoner G.D. Drinking water with red beetroot food color antagonizes esophageal carcinogenesis in N -nitrosomethylbenzylaminetreated rats. Journal of Medicinal Food. 2010;13(3):733-739. doi:10.1089/jmf.2008.0280

11. Gandia-Herrero F., Escribano J., Garcia-Carmona F. Biological activities of plant pigments betalains. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2016;(56):937–945. doi:10.1080/10408398.2012.740103

12. Butera, D., Tesoriere, L., Di Gaudio, F., Bongiorno, A., Allegra, M., Pintaudi, A. M., … Livrea, M. A. Antioxidant Activities of Sicilian Prickly Pear (Opuntia ficus indica) Fruit Extracts and Reducing Properties of Its Betalains: Betanin and Indicaxanthin. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2020;50(23):6895–6901. doi:10.1021/jf025696p

13. Slavov A., Karagyozov V., Denev P., Kratchanova M., Kratchanov C. Antioxidant activity of red beet juices obtained after microwave and thermal pretreatments. Czech journal of Food Sciences. 2013;(31):139–147. doi:10.17221/61/2012-CJFS

14. Da Silva D.V.T., Pereira A.D., Boaventura G.T., Ribeiro R.S. de A., Verícimo M.A., Carvalho-Pinto C.E. de, … Paschoalin V.M.F. Short-Term Betanin Intake Reduces Oxidative Stress in Wistar Rats. Nutrients. 2019;11(9):1978. doi:10.3390/nu11091978

15. Hayakawa K., Agarie S. Physiological roles of betacyanin in a halophyte, Suaeda japonica Makino. Plant Production Science. 2010;(13):351–359. doi:10.1626/pps.13.351

16. Nakashima T., Araki T., Ueno O. Photoprotective function of betacyanin in leaves of Amaranthus cruentus L. under water stress. Photosynthetica. 2011;(49):497–506. DOI:10.1007/s11099-011-0062-7

17. Jain G., Schwinn K.E., Gould K.S. Betalain induction by l-DOPA application confers photoprotection to saline-exposed leaves of Disphyma australe. New Phytologist. 2015;207(4):1075–1083. doi:10.1111/nph.13409

18. Brockington S.F., Walker R.H., Glover B.J., Soltis P.S., Soltis D.E. Complex pigment evolution in the Caryophyllales. New Phytologist. 2011;190(4):854–864. doi:10.1111/j.1469-8137.2011.03687.x

19. Polturak G., Grossman N., Vela-Corcia D., Dong Y., Nudel A., Pliner M., Levy M., Rogachev I., Aharoni A. Engineered gray mold resistance, antioxidant capacity and pigmentation in betalain-producing crops and ornamentals. Proceedings of the National Academy of Sciences. USA. 2017;(114):9062–9067. doi:10.1073/pnas.1707176114

20. Tzin V., Galili G. New insights into the shikimate and aromatic amino acids biosynthesis pathways in plants. Molecular Plant. 2010;3(6):956–972. doi.org/10.1093/mp/ssq048

21. Sakuta M. Diversity in plant red pigments: Anthocyanins and betacyanins. Plant Biotechnology Reports. 2014.8(1):37–48. doi:10.1007/s11816-013-0294-z

22. Esatbeyoglu T., Wagner A.E., Schini-Kerth V.B., Rimbach G. Betanin - A food colorant with biological activity. Molecular Nutrition & Food Research. 2015;59(1):36–47. doi:10.1002/mnfr.201400484

23. Strack D., Vogt T., Schliemann W. Recent advances in betalain research. Phytochemistry. 2003;(62):247–269. doi:10.1016/S0031-9422(02)00564-2

24. Sasaki N., Abe Y., Wada K., Koda T., Goda Y., Adachi T., Ozeki Y. Amaranthin in feather cockscombs is synthesized via glucuronylation at the cyclo-DOPA glucoside step in the betacyanin biosynthetic pathway. Journal of Plant Research. 2005;118:439–442. doi:10.1007/s10265-005-0237-z

25. Соколова Д.В., Соловьева А.Е. Перспективный исходный материал для селекции сортов свеклы с высоким содержанием бетанина. Аграрная Россия. 2019;(8):26-32. DOI: 10.30906/1999-5636-2019-8-26-32

26. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П.; ред. А.И. Ермаков. Методы биохимического исследования растений. Ленинград. 1987. С.63-91.

27. Pucher G.W., Curtis L.C., Vickery H.B. The red pigment of the root of the beet (Beta vulgaris). A method to determine betanin. Journal of Biological Chemistry. 1938;(123):71‒76. doi:10.1016/s0021-9258(18)74156-2

28. Kjeldahl J. Neue Methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Körpern. [New Method for the Determination of Nitrogen in Organic Substances.] Zeitschrift für analytische Chemie. 1883;(22):366-383. doi:10.1007/BF01338151

29. Perchuk I., Shelenga T., Gurkina M., Miroshnichenko E., Burlyaeva M. Composition of primary and secondary metabolite compounds in seeds and pods of asparagus bean (Vigna unguiculata (L.) Walp.) from China. Molecules. 2020;25(17):3778. doi:10.3390/molecules25173778

30. Worley B., Powers R. Multivariate Analysis in Metabolomics. Current Metabolomics. 2012;1(1):92–107. doi:10.2174/2213235x11301010092

31. Shtark O.Y., Puzanskiy R.K., Avdeeva G.S., Yurkov A.P., Smolikova G.N. et al. Metabolic alterations in pea leaves during arbuscular mycorrhiza development. Peer J. 2019;(7):1-33. doi:10.7717/peerj.7495

32. Ruiz-Hernández V., Roca M.J., Egea-Cortines M., Weiss J. A comparison of semi-quantitative methods suitable for establishing volatile profiles. Plant Methods. 2018;(14):67. doi:10.1186/s13007-018-0335-2

33. Wang M., Lopez-Nieves S., Goldman I.L., Maeda H.A. Limited tyrosine utilization explains lower betalain contents in yellow than in red table beet genotypes. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2017;(65):4305–4313. DOI: 10.1021/acs.jafc.7b00810

34. Соколова Д.В. Эколого-географическое изучение накопления бетани- на у перспективных образцов столовой свеклы коллекции ВИР. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2019;180(4):66-74. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-4-66-74

35. Тимакова Л.Н., Борисов В.А., Фильрозе Н.А., Успенская О.Н., Соколова Л.М. Оценка качества сортов свеклы столовой в условиях Московской области. Картофель и овощи. 2020; 7: 28‒32. doi:10.25630/PAV.2020.83.92.004

36. Соколова Д.В., Шеленга Т.В. Соловьева А.Е. Сравнительная характе- ристика биохимического состава образцов мангольда и столовой свеклы коллекции ВИР. Овощи России. 2019;5(49):77-83. DOI: 10.18619/2072-9146-2019-5-77-83

37. Bhagyalakshmi N., Thimmaraju R., Narayan M.S. Various hexoses and dihexoses differently influence growth, morphology and pigment synthesis in transformed root cultures of red beet (Beta vulgaris). Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2004;(78):183–195. doi:10.1023/B:TICU.0000022557.84867.db

38. Hou Q., Ufer G., Bartels D. Lipid signaling in plant responses to abiotic stress. Plant Cell and Environment. 2016;39(5):1029-1048. doi.org/10.1111/pce.12666

39. Дударева Л.В., Рудиковская Е.Г., Шмаков В.Н. Влияние низкоинтенсив- ного излучения гелий-неонового лазера на жирнокислотный состав кал- лусных тканей пшеницы (Triticum aestivum L.) Биологические мембраны. 2014;31(5):364-370. DOI:10.7868/S0233475514050041

40. Жуков А.В. Пальмитиновая кислота и ее роль в строении и функциях мембран растительной клетки. Физиология растений. 2015;62(5):751-760. DOI: 10.7868/S001533031505019X

41. Badea C., Basu S.K. The effect of low temperature on metabolism of membrane lipids in plants and associated gene expression. Plant Omics Journal. 2009;2(2):78–84.

42. Нохсоров В.В., Дударева Л.В., Петров К.А. Состав и содержание липи- дов и их жирных кислот в хвое Pinus sylvestris L. и Picea obovata Ledeb. при закаливании к низкой температуре в условиях криолитозоны Якутии. Физиология растений. 2019;66(4):286-294. DOI: 10.1134/S0015330319040109