Od Philippa Simona z USDA, Agricultural Research Service & University of Wisconsin, Madison, dowiadujemy się, jak kalejdoskop kolorów ujawnia nowe genetyczne mechanizmy akumulacji pigmentu w kolorach marchwi

Większość konsumentów w dzisiejszym świecie zachodnim zna tylko pomarańczowe marchewki i chociaż pomarańczowy jest kolorem większości marchwi uprawianych obecnie na całym świecie, czerwona marchew jest powszechnie uprawiana w Azji. Ponadto dominującym kolorem marchwi nie zawsze był kolor pomarańczowy. W rzeczywistości żółty i fioletowy były pierwotnymi kolorami marchwi w Azji Środkowej (zwłaszcza w Afganistanie) ponad 1000 lat temu, gdzie marchew była prawdopodobnie po raz pierwszy powszechnie uprawiana jako roślina okopowa.

Udomowienie marchwi wygenerowało żywą gamę kolorów

Ale skoro marchew uprawna została udomowiona z marchwi dzikiej, zacznijmy od historii barw marchwi z marchewką dziką, zwaną często Koronką Królowej Anny. Dzika marchew występuje obecnie powszechnie na całym świecie jako chwast rosnący wzdłuż poboczy dróg i na pustych działkach, i ma białe korzenie, które są jadalne i smakują jak marchewka, choć często z silnym smakiem marchwi. Nie ma pisemnej historii dokumentującej rozwój pierwszej żółtej i fioletowej uprawnej marchwi, ale wnioskujemy, że pierwsi udomowiciele marchwi prawdopodobnie jako pierwsi zbierali lokalną dziką marchew rosnącą na obszarach wiejskich Azji Środkowej, wrócili, aby zebrać nasiona od bardziej smacznych dzikich populacji i zaczęli uprawiać to ziarno, gdzie w końcu odkryli, że niektóre z tych wczesnych uprawianych marchwi były żółte i fioletowe.

Oprócz niezarejestrowanej, bardzo wczesnej historii udomowienia marchwi, pisemne (choć skąpe) zapisy historyczne dokumentują żółtą i fioletową marchewkę w Afganistanie, a następnie w Iranie i północnej Arabii w X wieku. Marchewki były następnie zgłaszane w Syrii i Anatolii w XI wieku, północnej Afryce i Hiszpanii w XII wieku, Włoszech w XIII wieku i północnej Europie w XIV wieku. Wczesne marchewki były również przewożone przez kupców ze wschodu Azji Środkowej do Chin w XIII wieku. Wraz z ich wprowadzeniem do Azji opracowano czerwoną marchewkę, która stała się dominującym kolorem marchwi azjatyckiej.

Oprócz pisemnych zapisów, dzieła sztuki były cennym źródłem w dokumentowaniu historycznych zapisów kolorów marchwi. Wczesne traktaty botaniczne Cesarstwa Rzymskiego, przed naszą erą, przedstawiają coś, co może być pomarańczową marchewką. Jednak dopiero w XIV wieku pomarańczowe marchewki po raz pierwszy pojawiły się na martwych naturach w południowej Europie, a w XVI wieku pomarańczowe marchewki stały się szeroko rozpowszechnione w północnej Europie. Wraz z ekspansją światowego handlu w tamtej epoce, pomarańczowy stał się podstawowym kolorem marchwi uprawianej na całym świecie.

Kolory marchwi dostarczają różnorodnych składników odżywczych

Przeskakując do XIX wieku, chemicy organiczni zaczęli charakteryzować naturalnie występujące pigmenty występujące w marchwi oraz wielu innych warzywach i owocach. Pigmenty karotenoidowe odgrywają bardzo ważną rolę w kolorach marchwi, przy czym luteina odpowiada za kolor żółtej marchwi, alfa- i beta-karoten w przypadku marchwi pomarańczowej oraz likopen w przypadku marchwi czerwonej. Antocyjany odpowiadają za kolor fioletowej marchwi. Współcześni naukowcy zajmujący się żywieniem wykazali, że wszystkie pigmenty marchwi są biodostępne. A badania z różnymi warzywami i owocami wykazały ich korzyści zdrowotne, przy czym luteina chroni przed chorobą plamki żółtej związaną z wiekiem, likopen chroni przed niektórymi formami raka, a alfa- i beta-karoten przynoszą największe korzyści zdrowotne jako źródło witaminy A, który jest niezbędnym składnikiem odżywczym. Antocyjany i karotenoidy mają również właściwości przeciwutleniające, zmniejszając skutki szkodliwych utleniających chemikaliów znajdujących się w środowisku.

Dlaczego korzenie marchwi miałyby być tak kolorowe?

Karotenoidy odgrywają kluczową rolę w fotosyntezie, pomagając chlorofilowi ​​w pozyskiwaniu energii słonecznej w celu przekształcenia dwutlenku węgla i wody w glukozę i tlen. Chronią również fotosyntetyczne kompleksy pigment-białko w liściach przed szkodliwymi utleniającymi produktami ubocznymi fotosyntezy. Zarówno karotenoidy, jak i antocyjany przyciągają zwierzęta, które zapylają kwiaty i rozsiewają owoce wielu roślin. Dlaczego więc w korzeniach marchwi znajdują się karotenoidy i antocyjany, gdzie nie zachodzi fotosynteza i nie polega się na zwierzętach w rozsiewaniu korzeni?

Najwyraźniej pierwsi hodowcy marchwi odkryli naturalnie występującą zmienność genetyczną białej dzikiej lub wcześnie uprawianej marchwi, gdzie luteina i antocyjany gromadziły się w korzeniach marchwi, i wybierali te nowe kolory przez pokolenia, w których uprawiali rośliny. Tak więc kolory znane nam dzisiaj z uprawianej marchwi to pigmenty nie na miejscu – występujące w korzeniach, a nie ich zwykłe występowanie w liściach i owocach.

Ostatnie badania ujawniają nową genetykę akumulacji pigmentu i zwiększają wartość odżywczą

Te pigmenty marchwi również zwróciły uwagę genetyków w ciągu ostatnich 75 lat. Wczesne badania wykazały, że jeden gen, określany jako gen Y, odpowiada za przejście od białego koloru dzikiej marchwi do żółtego koloru występującego we wczesnych uprawach marchwi, a geny P odpowiadają za podobne przesunięcie koloru korzeni na fioletowy.

Co ciekawe, podczas gdy zielone liście we wszystkich roślinach gromadzą karotenoidy, w przypadku większości roślin korzenie nie. Ale w marchwi gen Y reguluje w górę geny fotosystemu, aby gromadzić karotenoidy w korzeniach marchwi. Podobnie, podczas gdy niektóre dzikie marchewki mają purpurowe liście, ale nie korzenie, geny P są czynnikami transkrypcyjnymi, które aktywują geny odpowiedzialne za akumulację antocyjanów nie tylko w liściach marchwi, ale także w marchwi z fioletowymi korzeniami.

Niedawne szeroko zakrojone badania genetyczne marchwi doprowadziły również do odkrycia genu Or, który stymuluje biogenezę chromoplastów, organelli w komórkach roślinnych gromadzących barwniki karotenoidowe w zielonych liściach i owocach o pomarańczowym miąższu, takich jak melony, a także w pomarańczy marchew. Trwają dodatkowe badania mające na celu zbadanie dodatkowych genów, które zmieniają ilość i rodzaj pigmentów w korzeniach marchwi.

Równolegle z bardziej podstawowymi badaniami nad mechanizmami akumulacji pigmentu prowadzona jest hodowla roślin w celu opracowania nowych stad hodowlanych w celu poprawy wartości odżywczej plonów dostępnych dla konsumentów. Wysiłek ten zaowocował wzrostem średniej sprzedaży marchwi w sklepie spożywczym w USA o około 45% w ciągu ostatnich 40 lat. Ponieważ marchew jest rośliną uprawną o szerokiej bazie zróżnicowania genetycznego, perspektywy dalszej poprawy wartości odżywczej są obiecujące.

Laboratoria współpracujące przy badaniach barwy marchwi:

1. Dr Masimo Iorizzo, Plants for Human Health Institute, Wydział Nauk Ogrodniczych, North Carolina State University, Kannapolis, NC USA.
2. Dr Shelby Ellison, Wydział Ogrodnictwa, University of Wisconsin, Madison, WI USA.
3. Dr Pablo Cavagnaro, CONICET, INTA, Wydział Nauk Rolniczych, National University of Cuyo, Mendoza, Argentyna.
4. Dr Douglas Senalik, USDA, Dział Badań Rolniczych, Wydział Ogrodnictwa, University of Wisconsin, Madison, WI USA.
5. Dr Irwin Goldman, Wydział Ogrodnictwa, University of Wisconsin, Madison, WI USA.
6. Dr Sherry Tanumihardjo, Wydział Nauk o Żywieniu, University of Wisconsin, Madison, WI USA.
7. Dr Julie Dawson, Wydział Ogrodnictwa, University of Wisconsin, Madison, WI USA.
8. Dr Allen Van Deynze, Seed Biotechnology Center, University of California, Davis, CA.
9. Dr Dariusz Grzebelus, Wydział Biotechnologii i Ogrodnictwa, Instytut Biologii Roślin i Biotechnologii, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Kraków, Polska.
10. Dr David Spooner (nie żyje), USDA, Rolnicza Służba Badawcza, Wydział Ogrodnictwa, University of Wisconsin, Madison, WI USA.
11. Dr Micaela Colley, Organic Seed Alliance, Port Townsend, Waszyngton, USA.
12. Dr William Rolling, USDA, Dział Badań Rolniczych, Wydział Ogrodnictwa, University of Wisconsin, Madison, WI USA.

Podziękowanie

Ten materiał jest oparty na pracy wspieranej przez National Institute of Food and Agriculture, Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, pod numerem nagrody 2022-51181-38321; pod numerem nagrody 2021-51300-34900.