Генетика и селекция Капусты

Связи между диплоидными и амфидиплоидными культурообразующими видами Brassica ("треугольник U"; U, 1935).

Классический треугольник U (1935) (рис.) показывает взаимосвязь крестоцветных, основанную на числе их хромосом и двух дескрипторах генома. Эти виды можно скрещивать с помощью спасения эмбрионов, слияния и других методов. Кроме того, огромные возможности открываются благодаря исследованиям модельных крестоцветных, таких как кресс-салат (Arabidopsis thaliana) и Wisconsin Fast PlantsTM, которые позволяют идентифицировать гены и их продукты, которые можно применять в сельскохозяйственных культурах. Кроме того, некоторые селекционеры в настоящее время работают с менее известными видами Brassicaceae, такими как Brassica carinata, для извлечения ценных генов устойчивости к патогенам, вредителям и других экономических признаков.

Семейство Капустные (Brassicaceae) — одно из самых гибких семейств растений с точки зрения межвидовых и межгеномных скрещиваний. Быстрый прогресс делается в нашем понимании составляющих их генов, геномных взаимодействий, белковых продуктов и результирующих фенотипических характеристик, что в конечном итоге приводит к ещё более широкому и разнообразному скрещиванию. Одновременно для большинства основных видов создаются карты полиморфизма длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ, restriction fragment length polymorphism, RFLP) и сцепления, и они показали множество общих групп сцепления хромосом, встречающихся у этих видов. Это поощряет исследования потенциала переноса одного гена в хозяйственные культуры из модельных типов.

Геномные признаки и таксономия

Следующие шесть видов Brassica, а также Raphanus sativus, редька 2n = 18, были скрещены с разной степенью сложности, требующей культивирования эмбрионов или слияния для получения гибридов:

Brassica nigra Koch, чёрная горчица, 2n = 16;
Brassica carinata Braun, горчица эфиопская, 2n = 34;
Brassica juncea L. Coss, коричневая горчица, 2n = 36;
Brassica napus, брюква, рапс 2n = 38;
Brassica rapa, репа и пекинская капуста, 2n = 20;
Brassica oleracea, капустные культуры, 2n = 18.

Гибридизация между этими видами легче, чем с другими видами крестоцветных. Тем не менее все ещё может быть трудной и разочаровывающей задачей получение истинного размножения новых линий с желаемым признаком, независимо от того, является ли вид диплоидным или аллополиплоидным, как в случае с Brassica carinata, Brassica juncea и Brassica napus. Использование слияния вместо классической гибридизации со спасением эмбрионов повысило шансы на успех.

Биология цветения в связи с контролируемым опылением

Цветок дифференцируется последовательным развитием четырёх чашелистиков, шести тычинок, двух плодолистиков и четырёх лепестков. Плодолистики образуют верхнюю завязь с «ложной» перегородкой и двумя рядами кампилотропных семяпочек. Нуцеллярная ткань в значительной степени вытеснена зародышевым мешком, и при раскрытии бутонов семязачатки в основном состоят из двух интегументов и созревшего зародышевого мешка. Бутоны раскрываются под давлением быстрорастущих лепестков. Распускание начинается во второй половине дня, и обычно цветы полностью раскрываются на следующее утро. Ярко-жёлтые лепестки вырастают до 10-25 мм в длину и 6-10 мм в ширину. Чашелистики прямостоячие. Опыление цветов осуществляется насекомыми, особенно пчёлами, которые собирают пыльцу и нектар.

Нектар выделяют четыре нектарника, расположенные между основаниями коротких тычинок и завязью. Цветки собраны в кисти на главном стебле и его пазушных ветвях. Соцветия могут достигать длины 1-2 м. Тонкие цветоножки длиной 15-20 мм. После оплодотворения эндосперм быстро развивается, а рост зародыша не начинается в течение нескольких дней. Через 2 недели после опыления зародыш, как правило, мал, и на этом этапе можно в первую очередь попытаться спасти эмбрион.

Зародыш заполняет большую часть семенной кожуры через 3-5 недель, когда эндосперм уже почти полностью абсорбирован. Запасы питательных веществ для прорастания запасаются в семядолях, которые свёрнуты вместе с лежащим между ними зародышевым корешком.

Плоды капустных культур голые стручки, шириной 4-5 мм и длиной 40-100 мм, с двумя рядами семян, лежащих по краям реплюса (плацента). В одном стручке содержится 10-30 семян.

Через три-четыре недели после раскрытия цветка стручок достигает полной длины и диаметра. Когда он созреет, две створки раскрываются. Разделение начинается с прикрепленного основания и идёт к неприкрепленному дистальному концу, оставляя семена прикрепленными к плаценте. Физическая сила в конечном итоге отделяет семена, обычно за счёт толкания растрескавшихся стручков к другим частям растения либо ветром, либо во время обмолота.

Микроразмножение

Эмбриогенез микроспор был впервые успешно завершен на брокколи Keller et al. (1975) из изолированных пыльников. В настоящее время эмбриогенез микроспор является обычным делом в большинстве крупномасштабных программ селекции крестоцветных. Между источниками микроспор все ещё существуют различия, влияющие на количество зародышей, которые регенерируются в одном пыльнике, но в настоящее время система хорошо развита, и в каждой почке может быть получено более 1000 зародышей. Размер бутон и окружающая среда, в которой выращивалось родительское растение, имеют большое значение для успеха в производстве зародышей. Заводчик должен следить за тем, чтобы количество спасённых эмбрионов не превышало того, с которым можно справиться во время оценки. В большинстве случаев высокий процент эмбрионов будет гаплоидным и будет спонтанно удваиваться, давая гомозиготные растения, избавляя от необходимости работать через несколько поколений инбридинга. Эмбриогенез является дорогостоящей процедурой, но время, сэкономленное при получении гомозиготных линий по сравнению с использованием четырёх поколений односеменного потомства для обычного инбридинга, может быть весьма оправданным.

Геномика и картирование

Крестоцветные играют ключевую роль в развитии нашего понимания геномики и картирования растений, в основном благодаря обширному изучению Arabidopsis thaliana (кресс-салат). У Arabidopsis простой пятихромосомный геном с минимальным уровнем дупликации, что делает его идеальным кандидатом для первого проекта генома растения и образцовым растением для исследований.

Молекулярные маркеры использовались у нескольких видов Brassica (в частности, у Brassica oleracea, Brassica napus и Brassica rapa), и были созданы простые карты с использованием маркеров изофермента, RFLP и случайно амплифицированной полиморфной ДНК (RAPD) (Quiros, 1999). Развитие Инициативы по геному Arabidopsis и баз данных экспресс-меток последовательностей (EST) впоследствии заменило эти усилия более мощными инструментами для картирования и понимания геномов Brassica. Использование сравнительной геномики в последнее время ускорилось, обеспечивая как сравнительные карты, так и согласованные генетические маркеры между видами на основе EST (Brunel et al., 1999; Lan et al., 2000).

Исследования Arabidopsis используются для изучения функционирования важных генов, участвующих в растениеводстве и агрономии видов культур Brassica, включая гены, ответственные за формирование кочанов цветной капусты и брокколи (Lan and Paterson, 2000). В то время как текущие усилия осложняются дупликацией локусов внутри культурных видов Brassica (поскольку даже диплоидные виды Brassica происходят от меньших предковых геномов, которые считаются частичными амфидиплоидами), исследование должно прояснить большую часть базовой цитогенетики геномов Brassica (Cavell et al., 1998).

Геномные исследования в настоящее время сосредоточены на нескольких видах Brassica, которые продемонстрируют латеральное использование геномики Arabidopsis в коммерчески важных сельскохозяйственных культурах, таких как масличный рапс (канола), горчица и овощные культуры. Эти исследовательские центры приводят к быстрой разработке молекулярных инструментов, которые могут быть использованы селекционерами для улучшения зародышевой плазмы и сортов.

Культура тканей, слияние и трансформация

Методы культивирования тканей применялись к нескольким овощам Brassica oleracea либо для клонального размножения, либо для выведения новых, а иногда и улучшенных типов растений. Растения были регенерированы из разнообразных многоклеточных эксплантов, включая: незрелые зародыши; части проростков, такие как гипокотиль или семядоли; отрезки стебля; листья; корнеплоды; и цветочные ткани, такие как цветоносы или соцветия цветной капусты. Растения могут быть выведены из одностенных свободных протопластов, обычно выделенных из листьев или гипокотилей проростков, выращенных in vitro. Сильная специфичность генотипа обычно отмечается в исследованиях, сравнивающих регенерацию из различных линий данного овоща, при этом некоторые из них работают очень хорошо, а другие показывают слабый ответ или его отсутствие. Особенно это касается протопластов.

Регенерация растений из соматических тканей позволяет поддерживать популяции, не дающие семян и трудно размножаемые стандартными методами. Культура эмбрионов использовалась для получения потомства от межвидовых гибридов, полученных либо половым скрещиванием (например, Brassica napus х Brassica oleracea) или путём слияния протопластов.

Путём слияния протопластов было создано несколько растительных линий с новыми комбинациями ядерных и цитоплазматических геномов. Обычная процедура заключается в слиянии протопластов регенерируемых линий Brassica oleracea с протопластами донора цитоплазмы, облучённого для удаления его ядерной ДНК. Некоторые растения, извлеченные из таких экспериментов, представляют собой цибриды, содержащие ядерный геном партнёра Brassica oleracea и митохондрии и/или хлоропласты другого партнёра.

Первоначальный продукт слияния содержит митохондрии и хлоропласты обоих партнёров по слиянию, в отличие от зигот полового происхождения, которые почти всегда содержат только хлоропласты материнского родителя. Сортировка смешанной популяции органелл во время последующего клеточного деления и регенерации позволила преодолеть хлороз, наблюдаемый при выращивании при низких температурах линий Brassica типа Ogura (Ogura, 1968) цитоплазматической мужской стерильности (CMS) (Walters et al., 1992). Этот хлороз возникает в результате взаимодействия хлоропластов редьки с ядром Brassica, поэтому опосредованная слиянием замена хлоропластов редьки хлоропластами Brassica может привести к получению растительного материала CMS, подходящего для производства гибридов. Дальнейшие слияния позволяют перенести устойчивый к холоду CMS Ogura от брокколи к капусте за одну стадию, устраняя необходимость во многих поколениях обратного скрещивания (Sigareva and Earle, 1997a). Другие типы цитоплазм с мужской стерильностью (например, Polima и Anand) также были перенесены в Brassica oleracea от других видов Brassica путём слияния протопластов.

Цибриды цветной капусты и брокколи с закодированной в хлоропластах устойчивостью к атразиновым гербицидам были созданы путём слияния с использованием Brassica rapa или Brassica napus в качестве источника устойчивых хлоропластов. Цибриды брокколи объединили два фенотипа органелл (резистентность к атразину и тип CMS «nigra») (Jourdan et al., 1989). Устойчивая к атразину Brassica oleracea не проявляла негативных эффектов, наблюдаемых у устойчивого к атразину рапса (Brassica napus).

Попытки изменить ядерный геном Brassica oleracea посредством слияния протопластов имели ограниченный успех. Brassica oleracea можно легко слить с Brassica rapa, например, для синтеза новых форм амфиплоидов Brassica napus (Zhang et al., 2004). Этот подход увеличивает генетическое разнообразие семян рапса, а также может обеспечить способ передачи полезных признаков от Brassica oleracea овощам Brassica rapa (поскольку половые скрещивания соматических гибридов Brassica napus с Brassica rapa обычно не представляют сложности). Однако ресинтез Brassica napus не является очевидным путём улучшения овощей Brassica oleracea.

Слияние Brassica oleracea с другими видами Brassica или крестоцветных, несущими полезные гены устойчивости, может привести к появлению устойчивых соматических гибридов. Доминантный ген устойчивости к Xanthomonas campestris pv. campestris (чёрная гниль) была перенесена из Brassica carinata в брокколи путём слияния с последующим обратным скрещиванием с брокколи путём спасения эмбрионов и обычным половым скрещиванием. Однако соматические гибриды, сочетающие Brassica oleracea с более дальними крестоцветными, часто страдают плохой плодовитостью; это затрудняет обратный переход.

Производство трансгенных растений для овощей Brassica менее развито, чем для рапса. Работа по трансформации рапса стимулируется его высокой экономической ценностью и возможностью расширения полезности урожая за счёт изменения содержания жирных кислот. Однако были созданы трансгенные брокколи, цветная капуста и белокочанная капуста, главным образом с помощью процедур, связанных с переносчиками Agrobacterium tumefaciens или Agrobacterium rhizogenes. Этот подход использовался для придания устойчивости к насекомым (Bacillus thuringiensis), гербицидам и вирусам. Цветочные фенотипы также были изменены за счёт переноса генов, предотвращающих развитие пыльцы или модифицирующих реакцию самонесовместимости.

Мужское бесплодие

Обнаружено значительное количество доминантных генов мужского бесплодия. Некоторые из них использовались в ограниченной степени с использованием бесполого размножения для размножения стерильных линий для производства гибридных семян. Однако основным будущим методом получения гибридов, вероятно, будет цитоплазматическая мужская стерильность (CMS). Это быстро выходит на передний план методов производства новых гибридов овощной капусты. Более старые установленные гибриды будут продолжать использовать самонесовместимость.

Первый цитостерильный штамм Brassica oleracea был получен Пирсоном (1972), когда он скрестил Brassica nigra с брокколи, и он получил дальнейшее развитие в капусте. К сожалению, эта система была осложнена петалоидией и отсутствием развития нектарников, что давало мужскую стерильность, непривлекательную для пчел-опылителей. Лучшая мужская стерильность была разработана, когда Bannerrot et al. (1974) скрестили CMS редис (R цитоплазма) «Огура» с капустой. В четвёртом поколении обратного скрещивания он получил нормальные растения с 2n = 18, которые были полностью мужскими стерильными, цветки имели только пустые пыльцевые зерна или рудиментарные пыльники. У растений с мужской стерильностью была проблема с бледными или белыми семядолями, а также с бледно-желтыми листьями во время развития, что усиливалось при низких температурах. Однако низкотемпературный хлороз удалось преодолеть путём замены хлоропластов Raphanus хлоропластами Brassica путём слияния протопластов (Peltier et al., 1983; Yarrow et al., 1986; Jourdan et al., 1989). Однако изначально у женских растений была снижена фертильность (Pellan-Delourme and Renard, 1987), что привело к ограниченному использованию этого материала. Уолтерс и др. (1992) перенесли устойчивость на цветную капусту, а затем на брокколи. Этот и подобный материал позволил получить линии с хорошей продуктивностью семян и отсутствием явных проблем с выращиванием после тщательной селекции по урожайности семян в первых поколениях.

Некоторые селекционеры, выработавшие подобную мужскую стерильность, по-видимому, не проводили достаточно строгий отбор для завязывания семян в ранних поколениях после слияния. Это привело к последующим проблемам с отказом от производства семян. Помимо академически произведённых семян CMS, различные семенные компании запатентовали свои собственные семена CMS в Brassica. Это привело к путанице и запрет на использование CMS типа Ogura из-за высоких патентных сборов за право использовать это независимо от источника. Совсем недавно была получена устойчивая к холоду цитоплазма Ogura с мужской стерильностью у пак-чой и других видов пекинской капусты. Селекционеры Китая активно используют генную мужскую стерильную линию АВ в пекинской капусте с 1980-х годов. О характеристике активного гена мужской стерильности CYP68MF линии AB сообщили Wan-Zhi et al. (2003).

Цитоплазма Anand была первоначально обнаружена у Brassica juncea, но недавно её происхождение было приписано дикому виду Brassica tournefortii. Cardi и Earle (1995) перенесли его из линий «быстрого цикла» Brassica rapa (CrGC# 1-31) в быстроциклирующийся Brassica oleracea (CrGC № 3-1). После усиленного скрининга в полевых условиях были выделены линии брокколи с хорошим урожаем семян, а также цветной, белокочанной и пекинской капусты. Оба цитостерила, Ogura и Anand, имеют типичные гены ms, унаследованные аналогично тому, что наблюдается у лука и моркови. Это означает, что для стерильности требуется соответствующая S-стерильная цитоплазма плюс гены msms. Все Brassica oleracea, Brassica napus и Brassica rapa имеют гены msms, но не имеют генов, восстанавливающих фертильность, и действуют как поддерживающие, в то время как Raphanus действительно имеет гены, восстанавливающие фертильность. Для получения версии инбредной линии с мужской стерильностью требуется только обратное скрещивание для получения желаемого инбредного родительского женского пола. Несовместимость, однако, может нарушить эту программу, если повторяющийся родитель ранее не был отобран по самофертильности, что не всегда так легко найти, поскольку более 30 лет большинство заводчиков проводили отбор по самонесовместимости. Совсем недавно Сигарева и Эрл (1997b) обнаружили, что могут заменить ядро инбредных линий на соответствующую стерильную цитоплазму путём слияния и избежать необходимости в медленной процедуре обратного скрещивания.

Самонесовместимость

Использование самонесовместимости было общепринятым и единственным успешным методом производства гибридных овощных крестоцветных до недавнего появления цитоплазматических мужских стерильных растений. Большинство цветков крестоцветных необходимо перекрестно опылять, хотя некоторые растения самосовместимы, но ограниченное количество семян завязывается в результате самоопыления. Пыльца жизнеспособна и обеспечивает оплодотворение при большинстве перекрестных опылений, за исключением небольшого процента, для которого специфичность несовместимости растения, функционирующего как женское, такая же как специфичность несовместимости пыльцы. Максимальное завязывание семян не происходит при самоопылении, если в рыльце (женских) и пыльце (мужских) имеются идентичные признаки несовместимости. Когда такие специфичности мужского и женского аллелей S идентичны, самонесовместимость препятствует прорастанию пыльцы и прорастанию в стигму и столбик.

Специфика несовместимости крестоцветных контролируется одним локусом, называемым геном S. Было идентифицировано около 50 аллелей S1, S2, S3, … S50, каждый из которых даёт одну специфичность. Таким образом, гомозиготные аллели S генотипа S1S1, S2S2 и т. д. обладают специфичностью несовместимости S1, S2, … Sn как для рыльца, так и для пыльцы. Специфика несовместимости растения Brassica, гетерозиготного по аллелю S, сложна, потому что контроль специфичности пыльцы осуществляется спорофитом, диплоидным растением в целом, а не отдельным (гаплоидным) пыльцевым зерном. Обычно селекционер присваивает свои собственные идентификаторы аллеля S, но Международный отдел исследований садоводства Уорикского университета (Warwick-HRI), Уэллсборн, Великобритания) поддерживает коллекцию всех известных аллелей S, которая составляет международно признанную номенклатуру.

Проверка самонесовместимости

Уровень самонесовместимости можно оценить по количеству семян, полученных после само- или перекрестного опыления, но это занимает не менее 60 дней. Методы флуоресцентной микроскопии легко обнаруживают пыльцевые трубки, проникшие в столбик, и это обеспечивает прямое измерение несовместимости, которое может быть завершено в течение 12-15 часов. Анилиновый синий краситель накапливается в пыльцевых трубках и флуоресцирует при облучении ультрафиолетовым светом. С соответствующими светофильтрами под флуоресцентным микроскопом трубки видны, тогда как фон ткани стиляра почти не виден. Проникновение нескольких трубок указывает на несовместимость, а проникновение многих трубок указывает на совместимость. Быстрые результаты значительно ускоряют оценку уровней совместимости и планирование программ разведения.

Перед оценкой самонесовместимости необходимо провести селекцию на устойчивость к вредителям и патогенам, а также на другие растениеводческие характеристики. Затем следует оценка совместимости. Выбранные растения могут быть испытаны на самоопыление бутонов и самоопыление открытых бутонов. Полученное в результате завязывание семян или проникновение пыльцевых трубок из открытых цветков будет измерять интенсивность самонесовместимости. В случае создания интересной семьи необходимо отобрать 11 растений и подвергнуть их перекрестному опылению во всех комбинациях для установления типов доминирования и относительных степеней доминирования внутри семейства. Детали тестирования и оценки самонесовместимости были рассмотрены Диксоном и Уоллесом (1986).

Опыление бутонами

Опыление бутона для преодоления самонесовместимости осуществляется путём раскрытия бутона и переноса пыльцы с открытого цветка того же растения. Оплодотворение не произойдёт там, где это делается, когда бутон очень маленький. На этой стадии столбик не восприимчив, но примерно за 3-4 дня до раскрытия цветка столбик и рыльце полностью рецептивны и фактор самонесовместимости ещё не развился, поэтому возможно самооплодотворение.

Бутон открывается заострённым предметом, например насаженной иглой, и пыльца переносится с открытого цветка. В некоторых крупных селекционных программах многие, даже сотни, опылителей могут использоваться для получения самоопылённых семян на самонесовместимых растениях.

Есть два других метода, которые в настоящее время широко используются для преодоления самонесовместимости. Первый заключается в опрыскивании открытого цветка 3-4% раствором поваренной соли. Затем оставляют на 20-30 мин, удаляют излишки солевого раствора, сдувая его с цветка или промокая влажной тканью или бумажным полотенцем, после чего может произойти самоопыление. Соль удаляет ингибитор с рыльца пестика, обеспечивая самоопыление. Второй и более эффективный метод, если задействовано много растений, — это самоопыление открытых цветов, а затем перенос растений в закрытое помещение или комнату, в которую можно допустить 5% углекислого газа. Тогда фактор самонесовместимости преодолевается, и это позволяет производить семена после самоопыления. Отдельные растения могут быть самоопыляемыми, а цветы помещать в полиэтиленовый пакет; его надувают, выдыхая в него через соломинку, а затем окончательно закрывают. Это может быть повторено снова позже в тот же день. Эффект аналогичен закрытию растения в комнате с добавлением углекислого газа.

Когда единственным методом получения гибридов было использование самонесовместимости, то самоплодные растения обычно выбраковывали. Теперь, с интересом к мужскому бесплодию, самооплодотворяющиеся растения являются желательными, а самонесовместимые растения отбрасываются. Однако не менее важно установить, что растения гомозиготны по самосовместимости, а не только завязывают семена, потому что они гетерозиготны по генам.

Производство гибридов F₁

Инбредные крестоцветные, как и большинство других ауткроссированных культур, имеют тенденцию терять силу роста, и, хотя одиночное скрещивание восстанавливает силу роста в F₁, производство семян на инбредных родителях может быть нерентабельно. По этой причине, независимо от того, включает ли гибридное производство самонесовместимость или мужскую стерильность, часто используется трёхстороннее скрещивание. Если используется самонесовместимость и если оба родителя самонесовместимы S₁S₁ х S₂S₂, тогда можно собрать семена от обоих родителей. В качестве альтернативы, открытая опылённая линия может быть использована в качестве родительской пыльцы, а семена сохранены только от самонесовместимой линии. Если исходный гибрид S₁S₂ является самонесовместимым, то его можно использовать как мужскую или женскую линию вместе с самонесовместимой линией С, и снова можно собрать семена. Это, однако, более сложно и требует более глубокого понимания уровней самонесовместимости и отношений каждой инбредной линии с другими вовлеченными.

При мужской стерильности, линия А или мужская стерильность сохраняется путём обратного скрещивания с самофертильной линией В Nmsms (S = стерильная и N = нормальная или фертильная цитоплазма). После нескольких поколений обратного скрещивания линия А будет напоминать линию В, но будет некоторая депрессия инбридинга. Для производства гибридных семян линия А скрещивается с ещё одной неродственной линией С. Можно сохранить только семена линии А. Трехстороннее скрещивание можно осуществить путём скрещивания гибрида А х C с другой линией, D, и это может привести к более высокому уровню производства семян, поскольку женский родитель теперь будет гибридом.

Успех производства семян зависит от таких вопросов, как цветение обоих родителей одновременно. Это может легко стать проблемой, когда родителям может потребоваться разная степень яровизации и время экспозиции для образования цветочных стеблей и цветов.

Самоопыление

Самоопыление любого из крестоцветных можно получить, почистив или встряхнув открытые цветки, если растение самосовместимо. Если растение самонесовместимо, бутоны можно открыть за 1-4 дня до того, как они раскроются естественным образом и будут опылены. Если бутоны слишком маленькие, то опыление обычно более затруднено и неудачно, а если провести его слишком поздно, то может развиться фактор несовместимости и будет произведено мало семян. Предпочитается молодой бутон за 3-4 дня до естественного раскрытия, поскольку фактор самонесовместимости ещё не развился, но бутон уже достаточно велик, чтобы рыльце было восприимчивым.

Обычно шесть или восемь бутонов могут быть открыты и опылены за один раз на кисте с помощью заострённого предмета, такого как зубочистка или щипцы, а пыльца с более старого открытого цветка может быть перенесена на рыльце пестика и получены семена. Пыльцу можно переносить кистью или пальцем, или с помощью самого открытого цветка, чтобы провести пыльниками по поверхности рыльца для переноса пыльцы.

Уильямс (1980) предложил использовать «пчелиные палочки», изготовленные из волосистых брюшек пчёл, насаженных на зубочистку, в качестве переносчиков пыльцы.

Перекрестное опыление

Когда опыление преследует цель селекции, отличную от изучения самонесовместимости, то бутон следует стерилизовать, используя бутоны, которые, как ожидается, раскроются через 1 или 2 дня, исключая возможность самоопыления. Затем желаемая пыльца переносится на рыльце пестика так же, как и при опылении бутонов. Если в качестве женского родителя используется мужское стерильное или самонесовместимое растение, то можно использовать открытый цветок или растение с выступающим пестиком. Когда исследуется перекрестная несовместимость между двумя растениями, нет необходимости стерилизовать открытые цветки. Основным преимуществом гибридов с овощными крестоцветными является однородность растений по размеру, форме и степени зрелости, а также защита, которую гибриды обеспечивают семеноводческой компании, производящей семена. Сильные сорта с открытым опылением могут быть такими же продуктивными, как и гибридные, хотя им может не хватать желаемых дополнительных преимуществ, таких как однородность созревания.

Увеличение производства семян

Ручное опыление лучше всего проводить в теплице или в большой сетчатой клетке, чтобы исключить насекомых. Если в поле желательно перекрестное или самоопыление, можно использовать мешочки из марли, чтобы заключить в них цветки одного или двух растений. Предпочтительно заключить несколько растений в клетку-ширму высотой 2 м. Растения следует держать подальше от стенок клетки, чтобы избежать опыления через них залётными пчёлами и другими насекомыми. Пчёлы — лучшие опылители, но можно использовать и мух. Если крупномасштабные увеличения должны производиться на открытом воздухе, то минимальная изоляция между партиями должна составлять 2000 м и более. Требуется большая изоляция, если один участок находится с подветренной стороны от другого или расположение улья приводит к тому, что пчёлы пересекают один участок растений, чтобы добраться до второго.

Все виды крестоцветных можно выкопать после выращивания в поле, посадить в горшки и переместить в теплицу после необходимого периода яровизации, за исключением брокколи, летней цветной капусты и некоторых видов пекинской капусты. Выкопать цветную капусту американского типа (формы Snowball) сложнее, но успех может быть высоким, если растения выкапывать с корневым комом и высаживать в горшки с минимальным повреждением корней. Если температура высокая, то помещение растений в холодильник на пару недель, пока они укореняются, поможет выжить.

Европейская и австралийская цветная капуста гораздо легче переносят пересадку, с коэффициентом успеха более 95%. Также используется увеличение цветной капусты путём культивирования ткани «творога», но это замедляет производство семян как минимум на 6 месяцев; однако это должно исключить потерю отдельных растений.

Бесполое размножение можно использовать для капусты, отрезая головку и позволяя развиваться боковым почкам. Затем почки можно вырезать, укоренить на влажную среду, яровизированную и оставленную для цветения в маленьких горшках. Подобным образом можно обработать почки брюссельской капусты. Что касается брокколи, можно взять черенки с боковых ветвей и укоренить в тумане, предварительно обмакнув в гормональный порошок для укоренения. Укоренение начинается через 10-14 дней, после чего растения быстро развиваются.

Яровизация

Многие крестоцветные нуждаются в яровизации, что вызывает цветение. На практике все капусты нуждаются в яровизации, но температура, при которой это происходит, может быть достаточно высокой, >25 °C, для большинства видов брокколи и некоторых видов цветной капусты. В большинстве случаев летняя цветная капуста и брокколи будут цвести без какой-либо искусственной яровизации. В условиях жаркого лета на востоке США некоторые голландские сорта цветной капусты могут быть настолько поздними, что созревают только после первых заморозков, которые могут их погубить. Это указывает на то, что этой цветной капусте требуется более низкая температура для яровизации, и, если её выкапывать вместе с «творогом» на стадии первичного рынка, цветение может быть ускорено путём хранения в течение месяца при температуре 5 °C.

Двухлетним культурам, таким как некоторые виды цветной капусты, белокочанная капуста, кольраби, листовая капуста и брюссельская капуста, требуется 2-3 месяца яровизации при температуре ниже 10 °C. Два месяца могут завершить яровизацию, но обычно предпочтительнее 3 месяца. Недостаточная яровизация увеличивает время между выводом из состояния яровизации и цветением на целых 2-3 месяца. Это приводит к фактической задержке времени цветения и часто к неполному или плохому цветению или даже к деяровизации после закладки семенного стебля. Следовательно, необходима адекватная продолжительность яровизации. В большинстве случаев 5 °C является наиболее идеальной температурой для яровизации. Более низкие или более высокие температуры приводят к необходимости более длительного периода яровизации. В скрещиваниях Brassica oleracea более однолетний вид доминирует над двухлетним, но в этой вариации существует непрерывный диапазон, что указывает на полигенное наследование. Большинство крестоцветных можно яровизировать после того, как они достигнут стадии зрелости, при которой стебель имеет диаметр не менее 10 мм, предпочтительно 15 мм. До этого этапа растение может не реагировать на понижение температуры. Семена Brassica rapa и Brassica napus также можно яровизировать.

Подготовка растений к размножению после селекции

Большинство овощных крестоцветных относительно легко пересаживать, и они выдерживают значительные нагрузки на этапах отбора и оценки, прежде чем им дадут вырасти до зрелости и зацвести. Все овощи семейства крестоцветных можно пересаживать с открытыми корнями без повреждений, кроме цветной капусты. Цветная капуста не очень быстро регенерирует корни. Если цветную капусту на рыночной стадии выкопать осторожно, предпочтительно из влажной почвы, тогда можно сохранить корневой ком. Затем растение помещают в большой горшок с влажной почвой или компостной средой, и потери будут незначительными. Около половины листьев следует удалить, чтобы уменьшить высыхание за счёт транспирации. Селекционеры из Корнельского университета, штат Нью-Йорк, США, за последние 20 лет редко теряли более 5% растений. Если в теплице жарко (>27 °С), то свежевысаженные растения желательно поместить в прохладное место при температуре 10-20 °С на 2-3 недели. Если температура в теплице не будет превышать 27 °С, то растения должны развиваться и давать семена. Если цветная капуста относится к позднелетнему или зимнему типу, ей может потребоваться разная продолжительность хранения в холодильнике, прежде чем у нее появятся цветы из «творога».

Растение брокколи можно выкопать и посадить в горшке или отрезать от него черенки, погрузить в гормональную среду для укоренения на основе ауксина и поместить в туманную камеру на 10-14 дней, к этому времени они должны укорениться и быть готовыми к посадке. Кочанную, брюссельскую и кудрявую капусту можно выкопать, удалить часть листьев и высадить растения в горшки перед яровизацией, или можно удалить кочан капусты и дать возможность развиться придаточным почкам. Их и почки брюссельской капусты можно срезать и поместить во влажную почву, где они будут укореняться при яровизации.

Селекционная устойчивость к патогенам

Всесторонние подробности методов, используемых для скрининга крестоцветных на устойчивость к болезням, предоставлены Williams (1981). Автор также перечисляет некоторые образцы Brassica с быстрым циклом и их специфические гены для использования селекционерами. Селекционеры растений со всего мира активно работают над созданием устойчивости ко многим патогенам овощных крестоцветных. Однако устойчивость большинства отдельных сортов ограничена несколькими патогенами.

Устойчивость

Как и в случае с некоторыми другими семействами сельскохозяйственных культур, такими как Cucurbitaceae, многие виды устойчивости являются доминирующими, хотя это часто связано с основными генами в определенных локусах. Это справедливо для белой ржавчины (Cystopus candida), чёрной ножки (Leptosphaeria maculans), чёрной гнили (Xanthomonas campestris), видов Alternaria, ложной мучнистой росы (Peronospora parasitica), мучнистой росы (Erysiphe crusiferarum), жёлтого фузариоза (Fusarium oxysporum f.sp. conglutinans), мягкой гнили (Erwinia carotovora) и вируса мозаики репы (TuMV). Как таковые, их можно использовать в производстве гибридов, где один родитель может быть устойчивым к некоторым патогенам, а другой – к альтернативным патогенам, но гибрид может иметь хорошую устойчивость ко всем патогенам.

Устойчивость всходов и взрослых растений

В некоторых случаях селекционеры предполагали, что устойчивость как всходов, так и взрослых растений приводит к устойчивости на протяжении всей жизни растения и во всех средах. Принято считать, что у многих патогенов крестоцветных и других культур может быть устойчивость как молодых, так и взрослых растений, и эти признаки могут проявляться по отдельности. Если этот факт не принимать во внимание, результаты могут быть запутанными и вводящими в заблуждение. Например, устойчивость к ложной мучнистой росе, чёрной гнили, альтернариозу и белой ржавчине по-разному проявляется с возрастом растений. Также часто на проявление резистентности влияет среда, в которой выращивается культура.

Методы отбора кочанной капусты по конкретным признакам

Форма кочана капусты

Желаемая форма кочана капусты в торговле изменилась с заострённой, плоской или круглой на почти исключительно круглую. Остроконечный кочан доминирует над круглым. Однако многие генетические факторы влияют на форму кочана. Отбор лучше всего производить, разрезая кочан вертикально через сердцевину; это позволяет выбирать форму кочана, длину сердцевины, диаметр и плотность или прочность листьев, конфигурацию листа в пределах кочана и листа или размер ребра. Срезанная сердцевина заживёт, и из нее разовьются боковые почки, так что выбранные растения можно будет сохранить для производства семян.

Кочанность

Отличительной чертой капусты является развитие нескольких листьев-оберток, окружающих верхушечную почку. По мере развития этих листьев формируется твёрдый кочан или сердцевина. Кочанность является рецессивным признаком. F₁ между некочанной или кистевидной капустой и кочанной капустой будет промежуточным.

В зависимости от охвата в скрещивании участвуют два гена (n1 и n2) или более. Точно так же рыхлый кочан савойской капусты рецессивен по отношению к жёсткому кочану гладколистной капусты. К тому времени, когда внутри Brassica oleracea будет достигнуто второе обратное скрещивание, кочанный тип может быть восстановлен при условии использования достаточно больших популяций.

Кочанные листья

При скрещивании линий с небольшим количеством листьев и линий с большим количеством обёрток немногие доминируют. Есть модифицирующие факторы. Количество главных листьев связано с ранним или поздним типом созревания, у раннеспелых сортов меньше листьев. Оценка и отбор производятся после вертикального расщепления зрелых кочанов ножом.

Размер кочана

Размер кочана является количественным признаком и может быть связан с силой гибрида, но не обязательно, так как линии с открытым опылением могут давать также большие кочаны.

Капуста чувствительна к длине дня, и в северных широтах (например, на Аляске) кочаны могут достигать очень больших размеров, весом до 20 кг. Точно так же, чем южнее или короче продолжительность дня, как зимой, тем меньше кочан. Агрономические вопросы, такие как расстояние между культурами и расстояние между рядами, мешают размеру кочана. Плотная обрезка естественным образом приводит к уменьшению кочана.

Высота растения

Существует главный ген «Т», отвечающий за высоту растения. Большинство сортов в этом отношении рецессивны. Опять же есть генетические модификаторы. Длинный стебель является нежелательной характеристикой, так как растение может упасть от веса кочана. Однако для машинной уборки стебель не должен быть слишком коротким, и важно, чтобы кочан располагался вертикально. Как правило, у Brassica oleracea высокая форма доминирует над низкой, но высота растения зависит от нескольких генов, действующих аддитивно.

Ширина кочерыги

Признак широкой кочерыги, по-видимому, доминирует над узким. Узкий сердечник желателен, но менее важен, чем более короткий. Широкая сердцевина обычно мягче или нежнее, чем тонкая сердцевина. Жесткие сердцевины приводят к «древесности», вызванной отложением одревесневших тканей в свежих и обработанных продуктах, что нежелательно.

Длина кочерыги

Длина сердцевины контролируется двумя не полностью доминантными генами короткой сердцевины. Желательна короткая сердцевина < 25% от диаметра кочана.

Размер растения

Старые сорта обычно имели большие размеры и прикорневые листья. При адаптации капусты к механизированной уборке и стремлении к созданию высокоурожайных культурных сортов тенденция была к меньшим размерам. Компактные сорта для свежего рынка обычно имеют меньший размер, чем сорта для переработки. Однако для фотосинтеза необходим адекватная поверхность листьев, но на экспрессию также влияют такие факторы, как время года, расстояние между растениями и плодородие. Адекватный полив и питание на ранних этапах укоренения и развития растений приведут к более крупному размеру, что также может привести к ожогу кончиков растений, если в период созревания будет дефицит воды.

Растрескивание кочана

Три гена контролируют растрескивание кочана, и они действуют аддитивно с частичным доминированием для раннего растрескивания. Согласно Чангу (1972), узкая наследуемость растрескивания составляет 47%. Чтобы оценить сорта на растрескивание, необходимо дать вырасти растениям до полной зрелости. Сорта с длинной сердцевиной обычно растрескиваются в верхней части кочана, тогда как сорта с короткой сердцевиной обычно расщепляются у основания.

Пригодность к хранению

Для хранения лучше всего подходят поздние, медленнорастущие сорта. Сухая масса сортов лучшего хранения выше (9-10%), чем у стандартных и ранних сортов (6-7%). Лучшие сорта для хранения обычно имеют листья с тонкими жилками. Пищевые качества обычно хуже, потому что листья жестче и тверже. Отбор на длительное хранение наиболее эффективно производится путём срезания кочана у основания.

В конце периода хранения выбранные кочаны можно поместить во влажную почвенную смесь, и из основания кочана вырастут корни. В качестве альтернативы боковым почкам можно дать развиться, а затем удалить и укоренить, чтобы образовались соцветия и цветы. Капуста, используемая для салата, должна быть белой внутри, а капуста для свежего рынка предпочтительно должна быть зелёной.

Зимние сорта

Лучшие сорта для выращивания в более южных регионах зимой и которые могут подвергаться значительным холодам, должны быть устойчивыми к стрелкованию и требовать длительной индукции холодом, прежде чем появляться цветоносы. Они часто похожи на савойские. Селекцию лучше всего проводить в районах, где они будут выращиваться и подвергаться индукции холодом. Их следует сажать раньше, чем товарную культуру, чтобы они были крупнее при наступлении холодов и подвергались более длительным периодам холода. Растения, которые не дают быстрого стрелкования в таких условиях, должны быть устойчивыми к цветению и могут быть отобраны для производства семян.

Разведение брокколи

Жаростойкость

Восприимчивость к высокотемпературным повреждениям является одной из основных проблем брокколи. Это делает культуру агрономически более подходящей для выращивания в прохладном и влажном климате. Жара во время сбора урожая не имеет решающего значения, за исключением того факта, что высокие температуры сокращают период товарности урожая. Примерно за 3-4 недели до того, как головка будет готова к продаже, наступает критический период, когда точка роста дифференцируется, чтобы стать репродуктивной. Бьоркман и Пирсон (1997) изучали стадию развития, на которой температурная реакция является наиболее критической. Наиболее чувствителен он на выпрямленной и согнутой стадиях, что составляет относительно короткий период 4-5 дней. Листовые прицветники могут увеличиваться и прорастать через головку.

Когда растение чувствительно к теплу, почки увеличиваются и прорастают через головку из-за удлинения чашелистиков, причём степень увеличения является количественной и зависит от количества тепла. Кроме того, вторичные внутренние завитки бутонов могут желтеть, особенно внутренние зачатки мутовки, вызывая состояние, называемое «жёлтым глазом» или «звездчатостью». Жёлтый глаз, как правило, доминирует над нормальным формированием бутонов. Кроме того, в головке может происходить удлинение листочков. Отсутствие листьев, как правило, преобладает. Все три дефекта усиливаются или вызываются повышенной температурой и могут сделать урожай непригодным для продажи. Лучший метод скрининга – выращивание растений в нормальных идеальных условиях. Затем их перемещают в жаркую среду (35-25 °C днём/ночью) на 10 дней, когда точка роста находится в критической стадии «выпрямления и наклона», прежде чем вернуть растения к нормальному режиму выращивания при 20-25 °C. Предпринимаются попытки составить карту и найти локусы количественных признаков (QTL) для устойчивости к жаре или восприимчивости.

Для селекции и отбора растения можно выращивать в поле в месте, где ожидаются высокие температуры во время созревания растений, а затем проводится полевой отбор на устойчивость к тепловым повреждениям. Некоторые семеноводческие компании проводят активную селекцию на устойчивость к жаре, и селекция демонстрирует значительную устойчивость по сравнению с большинством гибридов брокколи. Ян и др. (1998) разработал гибрид «Ching-Long 45» с устойчивостью к жаре от скрещивания брокколи и инбредного сорта, включающего китайскую капусту (Brassica oleracea var. alboglabra).

Ветвление

На признак ветвления влияет температура, а жаркое лето увеличивает степень ветвления. Ветвление преобладающий признак. В самом крайнем неветвящемся типе брокколи растение похоже на цветную капусту в том, что в пазухах листьев не развиваются боковые почки, также если удалить головку, боковые почки не разовьются. В этих условиях, если головка удалена, на спасённом растении не может быть семян. Однако степень ветвления варьируется в зависимости от сорта и температуры. Высокая температура увеличивает степень ветвления. Умеренное ветвление, вероятно, желательно, но чрезмерное ветвление нет.

Способность к хранению

Необходимость повышения эффективности сбора урожая брокколи привела к скринингу сортов на предмет концентрации урожая и его однородности, а также послеуборочного периода для сохранения качества. МакКолл и др. (1996) хранили брокколи при 2 °C в течение 14 дней, а затем при 12 °C ещё 19 дней. Сорта хорошо сохранялись при 2 °С, но быстро портились при 12 °С. Модификации этой системы использовались для отбора отдельных кочанов при разделении популяций по качеству, а затем по способности к хранению, и были очевидны значительные различия. Сорт «Марафон» имеет лучший срок хранения, чем многие другие сорта.

Требуется гораздо больше работы над селекцией на способность к хранению, и предварительные наблюдения показывают, что есть возможность вывести более совершенные сорта с потенциально увеличенным сроком годности.

Другие характеристики

У брокколи желателен твёрдый стебель, а срезание верхушечной головки растения активизирует боковой рост стебля и позволяет проводить отбор. Растение не должно быть слишком высоким, но и очень низкое растение нежелательно, в то время как у большинства очень высоких растений нет твёрдых или больших головок. Высота преобладает над промежуточным и коротким стеблем, но может быть стабилизирована на любой желаемой высоте. Капуста даёт самые высокие растения на стадии цветения по сравнению с другими распространёнными капустными овощами. У брокколи и цветной капусты удлинение стебля более ограничено, при этом удлинение брокколи незначительно или отсутствует за пределами естественного положения цветка в головке на стадии продажи. Кочан брокколи должен быть куполообразным и тяжёлым при созревании. Тенденция состоит в том, чтобы новые сорта имели маленькие бутоны или бусинки. Крупный бутон доминирует над мелким. До сих пор было трудно совместить маленькие бутоны и устойчивость к жаре.

Земельные площади мира, пригодные для выращивания сельскохозяйственных культур, все больше сокращаются из-за засоления почв. Морское происхождение Brassica oleracea должно сделать капусту ценной культурой для использования на почвах, где засоление становится проблемой. Эффективность капусты в этом отношении могла бы быть увеличена, если бы ещё больше повысить солеустойчивость. Это может быть достигнуто путём переноса бактериального гена betA, который кодирует биосинтез глицинбетаина, в капусту, как это было предложено Bhattacharya et al. (2004). Глицинбетаин является хорошо зарекомендовавшим себя и эффективным биостимулирующим соединением, которое способствует росту и здоровью растений при использовании в виде экстрактов из морских водорослей.

Разведение цветной капусты

Цветную капусту можно разделить на несколько подгрупп в зависимости от её происхождения из Австралии, Европы (особенно Италии), Индии и США.

Существуют и другие подгруппы цветной капусты из разных регионов европейских стран, таких как Италия, Нидерланды, Германия и Корнуолл на юго-западе Англии. В целом, ранние сорта цветной капусты, такие как сорта Snowball, самосовместимы, в то время как более поздние сорта становятся более самонесовместимыми. Индийская цветная капуста, которая в основном ранняя, совершенно несовместима с собой. Австралийская цветная капуста от среднего до позднего срока созревания вполне самосовместима. Австралийская цветная капуста обычно очень крупная.

Тщательное обращение с выбранными растениями цветной капусты при выкапывании для производства семян имеет важное значение. Выкапывание взрослых растений с минимально поврежденными корневыми комами, наряду с удалением примерно половины листьев, обычно приводило к выживанию более 95% в программах селекции Корнельского университета. «Творог» в конечном итоге удлиняется и даёт цветочные стебли и множество цветов. Однако, если полученный урожай семян не слишком тяжёл и если растение остаётся здоровым, растение будет продолжать развивать цветы из неразвитых участков «творога» в течение нескольких месяцев.

У некоторых селекционеров возникли проблемы с сохранением полевого отбора, а прививка творожной массы на молодые растения оказалась довольно успешной и существенно не задерживала производство семян. В качестве альтернативы, культура тканей была средством вегетативного размножения. Небольшие кусочки «творога» отделяют от материнского растения, поверхность стерилизуют и кусочки диаметром 1-2 мм помещают на бумажные фитили в питательный раствор. Корни и побеги развиваются, их можно пересаживать в горшки и выращивать для получения новых растений (Крисп и Грей, 1975).

Жаростойкость

Цветная капуста восприимчива к теплу, но не в такой степени, как брокколи. Некоторые виды индийской цветной капусты, такие как «Pusa Katki», обладают наибольшей жаростойкостью, но они ранние и имеют относительно низкое качество «творога». При высокой температуре в «твороге» могут появиться прицветники (зелёные прицветники, соответствующие вспомогательным листьям, обычно присутствуют в «твороге», рис. 2.6), которые делают его непригодным для продажи. Наличие прицветников является рецессивным признаком, а наследуемость составляет 73%. «Творог» также может давать настоящие зелёные листья в головке.

«Творог» также может стать фиолетовым на солнце; это может быть связано с развитием маленьких пурпурных бутонов, похожих на маленькие белые бархатистые бутоны, которые развиваются в некоторых видах «творога» и называются «рисовыми».

Выращивание растений в более жарких, чем идеальные, условиях позволит провести отбор на устойчивость к жаре. Твёрдость «творога» также желательна, и требуется постоянный отбор по этому признаку, поскольку мягкие творожные растения будут легче плодоносить и будут иметь селективное преимущество. Твёрдая головка имеет тенденцию быть рецессивным признаком, хотя это количественный фактор, и может быть более одного генетического пути, так что скрещивание двух твёрдых «творогов» не обязательно означает, что гибрид будет твёрдым.

Цвет "творога"

Наиболее желаемый цвет цветной капусты — белый или кремовый. Во многих цветных капустах, если «творог» подвергается воздействию солнца, он становится коричневато-желтым; это особенно верно для типа Snowball. Цветную капусту защищают от солнца, либо заворачивая головку в листья, связывая их, либо выращивая растения с длинными листьями, которые защищают «творог» от воздействия солнечных лучей. Признак вертикального листа частично доминирует, с наследуемостью 67% и тремя локусами. Это особенно верно для некоторых сортов цветной капусты позднего осеннего и зимнего типа, но из него были выведены некоторые ранние сорта. Другой альтернативой является придание растению стойкой белизны. Цветная капуста Plant Introduction (PI) 183214 из Египта имела такое качество (Dickson and Lee, 1980) и оставалась полностью белой даже при воздействии прямых солнечных лучей. Задействовано несколько рецессивных генов, и, если не выращивать большое количество растений F2 (> 250), мало шансов получить стойкий белый «творог».

«Творог» устойчиво белых растений останется белым даже после значительного растяжения. К сожалению, исходный PI 183214 давал очень мягкую головку, и получение стойких белых твёрдых головок было затруднено.

Есть несколько цветов творога, особенно у итальянских сортов «Осенний гигант» и «Флора Бланка». Италия считается центром происхождения цветной капусты. Такие цвета, как ярко-зелёный (из-за двух генов), также доступны оранжевый, фиолетовый, жёлтый или золотой. Фиолетовый цвет может быть связан с преждевременно развившимися цветочными почками, которые образовались на «твороге» и могут приобретать пурпурную пигментацию бутонов. Зелёный «творог» также более устойчив к морозу, чем белый творог (Gray, 1989). Оранжевый творог преобладает над белым (Crisp et al., 1975). Однако инбредная оранжевая цветная капуста очень маленькая и слабая, а оранжевую цветную капусту можно выращивать только в коммерческих целях как гибрид. Однако степень окраски является количественной и зависит от белизны нормального исходного белого «творога».

Родитель с белым «творогом» должен быть похож на тип Snowball, а именно с тенденцией становиться коричневой под воздействием солнца. Родители с белым «творогом» приводят к бледному гибриду оранжевого «творога». Оранжевый цвет обусловлен пигментами β-каротина, и их содержание может колебаться от > 400 мкг/100 г ткани в тёмно-оранжевом твороге до примерно 3 мкг/100 г в очень белом твороге (Dickson et al., 1988).

Селекция брюквы

Brassica napus — овощная культура прохладного сезона, в основном выращиваемая в северных странах Европы и Канаде, где её также называют брюквой. Вздутый корень имеет бледно-оранжевую мякоть, верхняя половина беловатая или слегка жёлтая, а нижняя половина коричневая.

Желательные признаки — единый цвет, гладкая округлая внешняя форма, более узкое прикрепление листьев и хорошая лежкость. Они были источниками устойчивости к некоторым физиологическим расам Plasmodiophora brassicae (кила), и их использовали в межвидовых скрещиваниях. Кроме того, межвидовое потомство от скрещивания с Brassica oleracea было частично мужским стерильным. У последних, однако, цветки часто фертильны, а уровень фертильности непостоянен из года в год, так что это не является удовлетворительным источником мужской стерильности.

Серьезной проблемой может быть вирус мозаики турнепса, и существуют большие различия в реакции сортов. Среди устойчивых линий также встречаются разные реакции, которые наследуются независимо. Они бессимптомны до развития некроза или мозаики. Различные изоляты различались по вирулентности, но вызывали сходные реакции хозяина.

Капустная личинка или корневая муха (Deliabrassica) является серьезной проблемой вредителей брюквы, и селекционные усилия по борьбе с ней имели переменный успех. По-видимому, иммунитета к этому вредителю нет ни у Brassica napus, ни у Brassica oleracea, но некоторые сорта гораздо менее восприимчивы, чем другие.

Селекция брюссельской капусты

Сорта варьируются от ранних (90 дней) до поздних (120 и более) дней от посева до созревания. Вкус широко варьирует от довольно горького до сладкого, причём последний явно предпочтительнее. Однако мороз приводит к улучшению вкуса, как и в случае с корнеплодами, такими как пастернак. Некоторые новые гибриды имеют значительно улучшенный вкус без охлаждения. Брюссельская капуста в настоящее время почти всегда выращивается из гибридов, полученных с использованием самонесовместимости. Главной проблемой болезней в США является жёлтый фузариоз (Fusarium oxysporum f.sp. conglutinans), к которому некоторые новые гибриды устойчивы. У восприимчивых гибридов может развиться серьезное гниение, особенно нижних почек.

Кочанчики могут варьироваться от маленьких до больших при созревании, но предпочтительны почки среднего размера. Кроме того, растения могут быть разной высоты. Более высокие растения имеют более высокий потенциал урожайности, но если урожай не собран вручную, трудно добиться равномерной зрелости побегов по всей длине стебля.

Растения, посаженные слишком близко друг к другу, трудно собрать, а большое расстояние снижает урожайность. Легкое отделение самих побегов является очень желательным признаком, как и легкое удаление листьев. Оба могут варьировать от лёгкого до сложного.

Тёмно-зелёные почки предпочтительнее бледных. Проростки восприимчивы ко всем патогенам, вызывающим проблемы с другими культурами Brassica oleracea, но, поскольку они выращиваются в прохладном климате, воздействие болезней часто снижается. В частности, проблемы могут представлять ложная мучнистая роса (Peronospora parasitica) и тля.

Эллис и др. (2000) пытались провести отбор на устойчивость к тле. Некоторые растения с глянцевыми листьями устойчивы к тле и чешуекрылым вредителям, но глянцевые листья неприемлемы для потребителя.

Селекция пекинской капусты

Капусты вида Brassica rapa столь же разнообразны, как и Brassica oleracea. Пекинская (китайская) капуста восприимчива почти ко всем патогенам, вредителям и стрессам окружающей среды, влияющим на Brassica oleracea. Телекар и Григгс (1981) обсуждают вопросы, имеющие особое значение в селекции пекинской капусты.

Большинство типов легко кросс-совместимы. Как и в случае с Brassica oleracea, были созданы гибриды с использованием самонесовместимости, но в последнее время возрос интерес к использованию мужской стерильности как генного, так и цитоплазматического типов.

Новые направления развития Brassica

Широкое генетическое разнообразие и гибкость таксонов Brassica предоставили много возможностей как для естественной, так и для антропогенной эволюции. При одомашнивании эти характеристики привели к появлению широкого спектра морфологически различных типов культур Brassica, часто индивидуально адаптированных к конкретным местным и региональным системам земледелия. В Европе Brassica oleracea и особенно на Востоке Brassica rapa в течение многих столетий подвергались интенсивной селекции при выращивании, в результате чего были получены формы растений, заметно отличающиеся по своим садоводческим и кулинарным качествам. Однако с ботанической точки зрения они очень похожи, и их часто трудно охарактеризовать по строго таксономическим критериям. Часто их можно разделить только по агрономическим признакам (Toxopeus, 1979).

В XX веке представители семейства Brassicaceae взяли на себя новые роли в качестве идеальных модельных форм для использования в фундаментальных научных исследованиях, а в последнее время — в качестве образовательных инструментов. Сама генетическая гибкость и разнообразие, которые позволили поколениям садоводов оттачивать новые типы сельскохозяйственных культур, столь же отличающихся друг от друга, как брюссельская капуста и цветная капуста, предлагают человечеству новые источники выгоды как путь к фундаментальной генетической и эволюционной информации. Действительно, можно утверждать, что ценность этой семьи для человечества значительно возрастёт из-за роли её членов в молекулярной и генетической биологической революции, которая станет центральной частью научной деятельности в 21 веке. Было бы не слишком легковерно сравнивать открывающиеся возможности для Brassicaceae в качестве науки о растениях, эквивалентной исследованиям стволовых клеток в биологии человека и животных.

Биологические модели

Когда исследование пытается понять фундаментальные процессы природы, независимо от того, являются ли они биологическими, химическими, математическими или физическими, первоначальный инструмент, используемый для воплощения теории в эксперименты должен быть максимально простым. Простота работы позволяет идентифицировать и анализировать исследуемые принципы способами, не загромождёнными другими посторонними и, возможно, несвязанными процессами.

В биологии сложности, связанные с культурными растениями, могут, например, добавляться на более поздних стадиях, когда исследования переходят в прикладные области и приводят к полезным приложениям. Первоначально фундаментальный биолог ищет системы растений или животных, которые легко поддаются культивированию в замкнутых и контролируемых условиях с быстрым, простым, эфемерным жизненным циклом и небольшой массой. Эти организмы становятся «модельными формами», вокруг которых собирается огромное количество научных знаний и развиваются теории. Зоологи использовали плодовую мушку Drosophila melanogaster с начала 1900-х годов в качестве удобного средства для генетических исследований. Подобные подробные исследования были проведены с дрожжевым грибком Saccharomyces cerevisiae и нематодой Caenorhabditis elegans.

Уайт (1960) определил то, что он назвал «ботаническими дрозофилами». Однако они включали несколько сложных культурных растений, таких как злаки, соя, горох, каленхоэ, виды Perilla и более простые сорняки Arabidopsis thaliana и дурнишник (Xanthium pennsylvanicum). Когда культурные растения используются на ранних стадиях воплощения теории в эксперименты, это происходит потому, что конкретное растение имеет некоторые специфические признаки, поддающиеся лабораторным исследованиям. Таким образом, шпинат (Spinacea oleracea) широко используется в исследованиях фотосинтеза, потому что у него большие и относительно доступные хлоропласты, а фотопериодические исследования сосредоточены на Chrysanthemum, потому что его реакции четкие и поддаются манипуляции.

Большая часть наших знаний о морфогенезе растений получена из исследований клеток моркови (Daucus carota var. carota) в культуре, потому что они подходят для этой формы выращивания, при которой отдельные корневые клетки демонстрируют явную тотипотентность. Antirrhinum spp. и виды петунии Petunia spp. создали замечательные средства для анализа первичной дифференциации и роста цветков.

Семейство Brassicaceae включает две выдающиеся модели: кресс-салат, Arabidopsis thaliana, и серию генотипов, полученных в результате скрещивания культурных капустных с Brassica alboglabra, которые привнесли признаки, позволяющие быстро переключаться от семени к цветку и обратно к семени. Эти последние стали известны как «Wisconsin Fast PlantsTM», потому что они были обнаружены в кампусе Мэдисона Университета Висконсина, США.

Arabidopsis thaliana — ботаника и экология

Род Arabidopsis содержит небольшое количество видов тонких однолетних или многолетних трав. Кресс-салат, Arabidopsis thaliana, распространён по всей Северной Европе, произрастает на сухих почвах в стенах, насыпях, живых изгородях и на пустырях. Считается, что он родом из Старого Света, хотя его точное географическое происхождение неясно. Он был собран или зарегистрирован как присутствующий во многих различных регионах и климатах, начиная от высокогорья в тропиках и заканчивая холодным климатом северной Скандинавии, включая места в Европе, Азии, Австралии и Северной Америке. Родственный вид, Arabidopsis suecica, встречается только в Скандинавии, а родственные роды в трибе Sisymbreae включают сами виды Sisymbrium и Isatis (Stace, 2001).

С ботанической точки зрения Arabidopsis thaliana представляет собой эфемерное растение с простыми прямостоячими стеблями высотой от 50 до 500 мм; обычно стебли грубые и опушённые, с простыми волосками. Базальные листья образуют розетку, каждая из которых имеет форму от эллиптической до лопатчатой, и каждый лист имеет черешок с зубчатым краем, особенно на дистальном конце. Цветки мелкие, обычно менее 3 мм в диаметре, образованы белыми лепестками в характерном крестообразном узоре. Каждое соцветие состоит из 4-10 цветков; плоды сухие стручки. Таким образом, в миниатюре Arabidopsis thaliana напоминает по структуре многие другие цветки, часто гораздо более крупные, виды семейства крестоцветных.

После созревания сухие семена могут храниться в течение нескольких лет с небольшой потерей всхожести, но после увлажнения они быстро прорастают. В оптимальных условиях каждое растение образует розетку листьев, формирует цветонос и зацветает в течение 4 недель после посева. Скорость развития и время до цветения контролируются преобладающими условиями окружающей среды. Недостаток питательных веществ, например, приводит к сокращению времени регенерации, но снижает завязываемость семян. Arabidopsis thaliana цветет быстрее при длинном дне или при постоянном освещении, в то время как при коротком дне цветение значительно замедляется, с разным генетическим строением у разных морфотипов.

Обычно используемые экотипы, такие как «Колумбия» и «Ландсберг», имеют время регенерации примерно 6 недель. Поскольку большинство видов Arabidopsis thaliana продолжают формировать цветы и семена в течение нескольких месяцев, с каждого растения можно собрать более 10 000 семян. Растение удовлетворительно растёт как в почве, так и на компосте, и его можно культивировать на питательном агаре или жидких стерильных средах. Следовательно, он превосходно подходит для выращивания в камерах с контролируемой средой с искусственным освещением и в «шкафах для выращивания» или «комнатах для выращивания», далёких от традиционного полевого содержания.

Использование Arabidopsis thaliana в генетических и молекулярных исследованиях

Это маленькое крестоцветное растение стало повсеместным исследовательским инструментом в изучении многих аспектов биологии растений и, все чаще, биологии животных. Доказательства концептуальных исследований почти всегда используют Arabidopsis thaliana, и, как следствие, существует огромное количество литературы, описывающей каждый аспект её прорастания, роста и размножения в генетических и молекулярных терминах. Первоначально он был идентифицирован Лайбахом (1943) в Германии как экспериментальный инструмент после подробных исследований его генетики, начатых в 1907 году. Его гаплоидное число хромосом было определено как n = 5; коллекция экотипов были установлены и каталогизированы мутантные формы, возникающие в результате воздействия химических и физических мутагенов.

Существует ряд рецессивных мутантов, вызывающих гомеотические вариации, которые можно использовать в исследованиях биологии развития (Pruitt et al., 1987), а группа цветовых вариантов служит полезными видимыми маркерами. Летальные рецессивные мутанты могут быть использованы для исследований развития, биохимических и физиологических исследований. Устойчивость к гербицидам и ряду патогенов растений обеспечивает практическое применение в сельском хозяйстве и садоводстве. Таким образом, Arabidopsis thaliana хорошо охарактеризована генетически; было индуцировано, проанализировано и картировано множество полезных и интересных мутаций. Эти характеристики сами по себе не отличают Arabidopsis thaliana от других экспериментально полезных и генетически хорошо изученных растений, таких как томат (Lycopersicon esculentum) и кукуруза (Zea mays).

Именно небольшой размер, короткое время генерации, высокая завязываемость семян и лёгкость мутагенеза у Arabidopsis thaliana упрощают и ускоряют индуцирование, отбор и характеристику новых мутаций, что привлекает учёных многих биологических дисциплин. К этому добавляются очень привлекательные клеточные и ядерные характеристики. Arabidopsis thaliana привлекательна как для количественной, так и для качественной генетики из-за небольшого размера генома и гибкой организации генома (Somerville, 1989; Griffiths and Scholl, 1991; Meyerowitz and Somerville, 1994; Meyerowitz, 1997). Он имеет честь быть первым растением, у которого был секвенирован весь геном.

Преимущества, предлагаемые Arabidopsis thaliana, включают следующее:

Небольшой размер — отсюда лёгкость и простота выращивания в контролируемой среде, где пространство имеет большое значение для доступности и стоимости. На пространстве, сравнимом с листом в формате А4, можно выращивать до 100 растений.
Короткий жизненный цикл — регенерация от семени до семени занимает от 4 до 6 недель, что позволяет проводить короткие повторяемые и воспроизводимые эксперименты.
Идеальные цветы — они самоопыляемые, поэтому перенос пыльцы упрощается без необходимости сложных процедур для обеспечения перекрестного опыления, а цветы, как правило, не подвергаются открытому опылению. Самооплодотворение выявляет рецессивные мутации в гомозиготной форме в поколениях М2 (мутация два) после применения мутагенов.
Возможность производить большое количество семян — с одного растения можно собрать до 10 000 семян. Это очень быстро даёт большие популяции от одного скрещивания. В свою очередь это сводит к минимуму потребность в пространстве и упрощает статистический анализ популяций при большом количестве доступных растений.
Очень компактный геном — 70 000–100 000 кб на гаплоидный геном, содержащий только 10% повторяющихся последовательностей. Геном является одним из самых маленьких среди высших растений с гаплоидным размером около 100 Мб ДНК. Это делает Arabidopsis thaliana идеальным организмом для генетических и молекулярных исследований, таких как анализ мутантов, молекулярное клонирование генов и детальное построение физической карты генома.
Arabidopsis thaliana можно с относительной простотой сконструировать с помощью генной инженерии, используя либо трансформацию, опосредованную Agrobacterium tumefaciens, либо прямую бомбардировку тканей частицами.
Arabidopsis thaliana самый маленький известный геном среди высших растений. Как кинетика реассоциации ДНК, так и эксперименты по количественному блотингу генома указывают на размер гаплоидного генома примерно 70 000 кб. Такой размер генома согласуется с данными исследований объёма ядра. Arabidopsis thaliana более устойчива к ионизирующему излучению, чем многие другие покрытосеменные растения. Это свойство коррелирует с размером его генома. Размер генома всего в пять раз больше, чем у дрожжевого грибка (Saccharomyces cerevisiae), и только в 15 раз больше, чем у обычной кишечной бактерии Escherichia coli. Разителен контраст генома Arabidopsis thaliana с геномами других высших растений, часто используемых в молекулярно-генетических исследованиях (Adams, 2000):

Капустные (Brassicaceae):

кресс-салат (Arabidopsis thaliana) — 1,0·10⁸ пар оснований;
рапс (Brassica napus) — 1,2·10⁹ пар оснований;

Мятликовы (Poaceae):

рис (Oryza sativa) — 4,2·10⁸ пар оснований;
ячмень (Hordeum vulgare) — 4,8·10⁹ пар оснований;
пшеница (Triticum aestivum) — 1,6·10¹⁰ пар оснований;
кукуруза (Zea mays) — 2,5·10⁹ пар оснований;

Бобовые (Leguminosae):

Горох полевой (Pisum sativum) — 4,1·10⁹ пар оснований;
соя (Glycine max) — 1,1·10⁹ пар оснований;

Паслёновые (Solanaceae):

картофель (Solanum tuberosum) — 1,8·10⁹ пар оснований;
томат (Lycopersicon esculentum) — 1,0·10⁹ пар оснований;

Гоминиды (Hominid):

человек разумный (Homo sapiens) — 3,2·10⁹ пар оснований.

«Генетический багаж» многих высших растений считается эволюционной страховкой от изменений окружающей среды. Для роста и размножения может потребоваться менее 25% генов сложного организма. Обладание несколькими копиями увеличивает вероятность того, что он будет обладать вариантом (аллелем), который будет иметь значение между выживанием или гибелью от стресса окружающей среды, такого как засуха.

Значение этого небольшого содержания ДНК для молекулярной генетики заключается в том, что геномную библиотеку хромосомных фрагментов Arabidopsis thaliana легче создать, а также проще и экономичнее проводить скрининг. Только 16 000 случайных λ-клонов со средним размером вставки 20 кб должны быть проверены, чтобы обеспечить 99% вероятность получения любого фрагмента Arabidopsis thaliana. Напротив, в табаке (Nicotiana tabacum) необходимо было бы проверить 370 000 клонов из аналогичной библиотеки, чтобы иметь аналогичные шансы на успех; сопоставимое число для гороха (Pisum sativum) составляет 1 000 000, а для пшеницы (Triticum aestivum) – 1 400 000 λ-клонов.

Таким образом, можно быстро и недорого проводить повторный скрининг геномных библиотек Arabidopsis thaliana, и это важно для экспериментов, связанных с использованием хромосом. Вторым преимуществом небольшого размера генома является усиление сигнала по сравнению с шумом в экспериментах по генетическому гелевому блоттингу. Это усовершенствование позволяет обнаруживать слабые сигналы от гибридизации гетерологичных зондови, как следствие, позволяет обнаружить гибридизацию между очень расходящимися зондами и геномом покрытосеменных.

Arabidopsis thaliana имеет низкое содержание повторяющихся последовательностей. Те элементы, которые повторяются, устанавливаются на большом расстоянии друг от друга. Эта характеристика отличается от характеристик других изученных до сих пор покрытосеменных растений; например, у табака (Nicotiana tabacum) средняя длина непрерывных одиночных копий ДНК составляет 1,4 кб, а у гороха (Pisum sativum) — 0,3 кб. Таким образом, эксперименты по прохождению хромосом удобно проводить с Arabidopsis thaliana, тогда как с другими покрытосеменными вкрапленные повторы затрудняют выбор зондов с одной копией для каждого шага в прохождении хромосом.

Возможность генетической трансформации Arabidopsis thaliana позволяет проводить подробный анализ функции и экспрессии генов. Кроме того, он допускает функциональную комплементацию мутантного фенотипа клонированными генами, что является критическим заключительным этапом выделения генов с помощью мутационного анализа. Многие гены Arabidopsis thaliana были клонированы и охарактеризованы; это даёт гены для многих различных типов экспериментов, и можно разработать картину геномной организации и её эволюции.

Преимущества Arabidopsis thaliana

Основная цель состоит в том, чтобы клонировать гены, которые были идентифицированы с помощью мутационного анализа. Совместными усилиями многих лабораторий была составлена законченная схематическая карта генома Arabidopsis thaliana. Подробные карты морфологических и биохимических маркеров, таких как RFLP и RAPD, доступны для большинства геном. Приблизительно 90% всего генома Arabidopsis thaliana находится в пределах 0,8 Mbp от маркера RFLP, а 50% — в пределах 0,27 Mbp от маркера RAPD.

В геноме Arabidopsis thaliana отсутствует большая часть повторяющейся ДНК, которая определяет геномы других покрытосеменных растений. Однако он содержит полный набор генов, контролирующих модели развития, метаболизм, реакции на различные сигналы окружающей среды и устойчивость к вредителям и патогенам.

Arabidopsis thaliana был первым покрытосеменным растением, для которого был секвенирован весь геном (The Arabidopsis Genome Initiative, 2000). Это достижение теперь предоставляет неограниченные возможности для получения новых знаний о функциональных и метаболических процессах, контролируемых 25 000 генов, присутствующих в Arabidopsis thaliana.

Информация, полученная в результате анализа этого генома, вводится в общедоступную базу данных вместе с подробной информацией о белках, которые кодируются для дальнейшего прохождения цепочки ядерных и клеточных процессов. Сходство между биологией растений и животных подчеркивается информацией, полученной в ходе проектов по Arabidopsis (Leitch and Bennett, 2003). Границы между этими разделами биологии в значительной степени исчезают, и появляются явные возможности применения знаний, полученных от Arabidopsis, для изучения геномов животных и человека, а также для понимания их ядерных и клеточных процессов в норме и при отклонении (Sanderfoot and Raikel, 2001).

В настоящее время предпринимаются серьезные усилия для завершения физических карт генома Arabidopsis thaliana, состоящего из перекрывающихся наборов космид и искусственных хромосом дрожжей (YAC). В результате анализа мутантов Arabidopsis thaliana появились два мощных инструмента, которые дополняют методы клонирования на основе карт. Первый, мечение Т-ДНК, основан на использовании «трансформации семян» или трансформации зиготических эмбрионов с помощью Agrobacterium, что позволяет использовать Т-ДНК в качестве мутагена. Этот метод был успешно использован для выделения нескольких генов. Это становится более ценным по мере того, как становятся доступными более крупные популяции трансформированных растений с низким уровнем сомаклональной изменчивости. Второй подход представляет собой метод геномной вычитания, который используется для клонирования генов, соответствующих делеционным мутантам. Например, его использовали для клонирования локуса Arabidopsis thaliana ga-1.

Исследовательские знания, полученные с помощью Arabidopsis thaliana, с одной стороны, могут носить характер «чистого голубого неба», а с другой стороны, могут быть очень применимы на рынке. В качестве первого примера Lolle et al. (2005) предполагают, что генетическая информация может храниться вне хромосомной ДНК в виде тайников последовательности наследственной РНК. Такой процесс поставил бы под сомнение общепринятый и фундаментальный принцип менделевской генетики. На другом конце науки Montgomery et al. (2004) применили методы механического расчесывания растений Arabidopsis thaliana, чтобы вызвать стресс и, как следствие, карликовость. Успешное развитие методов механической карликовости открывает возможности для повышения надёжности размножения рассады на предприятиях, занимающихся выращиванием рассады, что повышает вероятность успеха, когда растения достигают своей конечной цели — поле.

Быстроциклирующие виды Brassica

Быстро размножающиеся формы Brassica под названием «Fast PlantsTM» были выведены для использования в сочетании с недорогими системами выращивания, разработанными из переработанных пластиковых контейнеров. Эта комбинация предлагает эффективный и действенный набор инструментов для биологических исследований всех уровней сложности, от исследовательского стенда до школьников. В зависимости от используемого генотипа, Fast PlantsTM прорастут через 1 день, вырастут и зацветут через 2 недели и дадут жизнеспособные семена немногим более чем через 28 дней.

Изменения в закономерностях роста и развития можно изучать в течение 24-часовых периодов, при этом физиологические изменения отслеживаются ежечасно. Быстрый жизненный цикл, небольшой размер и простота роста этих растений делают их идеальными для исследований в области генетики, репродукции, физиологии, экологии и роста (Greenler and Williams, 1990). Fast Plants™ появился в результате проекта, в ходе которого было проверено >2000 образцов Brassica, полученных из Национальной системы зародышевой плазмы Министерства сельского хозяйства США (USDA) (Williams and Hill, 1986). Несколько проверенных растений каждого вида зацвели значительно быстрее, чем в среднем. Эти генотипы с более быстрым цветением получили дальнейшее развитие, предоставив популяции, адаптированные для использования в экспериментах, проводимых в контролируемых условиях. Объединение генов нескольких раннецветущих форм дало материал с ещё более высокими уровнями ускоренного цветения.

Признаки быстрого размножения сочетались с другими характеристиками, такими как миниатюрный размер, что позволяло выращивать большое количество растений в стандартных лабораторных и классных условиях. На практике быстроцветущие виды Brassica и, в последнее время, Raphanus культивируют при 24 °С при непрерывном освещении 250 мкм/(с⋅м²) при высокой плотности популяции.

Тестовые популяции были выведены путём интеропыления нескольких раннецветущих сортов в пределах каждого вида Brassica и Raphanus. Критерии, использованные в процессе отбора, включали такие характеристики, как:

минимальное время от посева до цветения;
быстрота созревания семян;
отсутствие покоя семян;
небольшой размер растения;
высокий уровень женской фертильности.

Популяции примерно из 300 растений использовались в каждом цикле воспроизводства, и 10% популяции, которая зацвела наиболее быстро, отбирались и подвергались массовому опылению для получения следующего поколения. Как только сокращение среднего количества дней до цветения стабилизировалось и когда более 50% любой отдельной популяции зацвело в течение 2-3-дневного периода, процесс отбора для этой популяции был остановлен. Затем каждая популяция, отвечающая этим критериям, была увеличена путём массового опыления и обозначена как «базовая популяция с быстрым циклом» (RCBP).

RCBP относительно однородны по габитусу растений и времени до цветения; они сохраняют значительную изменчивость по другим признакам, таким как их реакция на патогены, вызывающие заболевание. Они резко реагируют на изменения в культурная среда; там, где предоставляется больше места для роста листьев и корней, растения становятся намного крупнее, образуя обильное количество семян.

Эти генотипы могут быть использованы в качестве безопасных хранилищ генов для будущего использования в молекулярных и традиционных генетических селекционных исследованиях. Имеются самосовместимые штаммы трёх диплоидных видов вместе с тетраплоидными формами Brassica oleracea, Brassica rapa и Raphanus sativus, полученными путём обработки диплоидов колхицином, причём последний используется для образования триплоидов и последующих трисомных и анеуплоидных форм.

Ряд мутантных форм с такими чертами, как ответчики на гиббереллин, тёмно-зелёные карлики, удлинённые междоузлия, дефицит хлорофилла и супрессоры антоцианов, предлагают характеристики для изучения наследственности и в качестве молекулярных маркеров. В помощь селекционерам был создан ряд тестов несовместимостей. Линии клеток и протопластов RCBP Brassica oleracea и Brassica napus регенерируют просто и легко и, следовательно, могут использоваться с культурами гаплоидных зародышей природных полиплоидных видов (Brassica carinata, Brassica juncea и Brassica napus) и обладают большим потенциалом для использования в исследованиях по разведению и генетической трансформации.

Помимо использования в качестве репозиториев для ядерных генов, RCBP продемонстрировали особенно полезные свойства для введения ядер различных видов в цитоплазму, экспрессирующую различные фенотипы, такие как мужская стерильность и устойчивость к триазиновым гербицидам. Поскольку цитоплазматические признаки передаются только по женской линии, ядра одного вида могут быть введены в цитоплазму любого другого вида при скрещивании между собой отобранных родителей. Обычно после межвидового или межродового скрещивания количество завязываемых семян становится очень низким, а морфология цветка и функции нектара становятся ненормальными. В RCBP могут быть восстановлены нормальные уровни семенной продуктивности и цветочные характеристики. Пример потенциала быстрой цикличности подвоев Brassica можно увидеть в селекционных линиях, обладающих множественной устойчивостью к грибковым, бактериальным и вирусным патогенам. Устойчивость к Plasmodiophora brassicae (возбудитель болезни килы) у Brassica rapa, к мучнистой росе (E. cruiferarum) и к вирусным патогенам у пекинской капусты (Brassica rapa) и цитоплазматическая мужская стерильность у Raphanus spp. (редька) были объединены. Это обеспечило источник множественной устойчивости к патогенам и цитоплазматической мужской стерильности для превосходных линий пекинской капусты, которые были созданы менее чем за 2 года.

Образовательные средства

RCBPs предлагают источник стимулирующего и интересного живого материала для использования в обучении в классе для всех уровней возраста и достижений. В большинстве курсов биологии используются модельные животные материалы, такие как виды Drosophila spp. (плодовая муха). Существует мало растительного материала, который можно использовать для курсов ботаники, садоводства, сельского хозяйства, лесного хозяйства и общего образования, который созревает достаточно быстро, чтобы позволить проводить эксперименты в течение 6-8 недель, требуемых многими школьными и высшими учебными программами. Использование RCBP на таких занятиях позволяет учащимся изучать аспекты роста, развития и размножения растений, физиологии, генетики, эволюции и экологии. RCBP хорошо подходят для этой цели, поскольку их отличительной чертой является удивительно быстрое развитие.

Растения можно заставить зацвести через 14-18 дней, они маленькие и компактные, и их можно выращивать при высокой плотности популяции (например, 2500 растений/м²) при постоянном освещении в классе. Простота выращивания и множество интересных морфологий делают эти растения привлекательными моделями как для учителей, так и для учеников. Fast PlantsTM интегрируются в национальные и международные образовательные программы, особенно в США и Великобритании, предлагая практический опыт изучения принципов биологии растений.

Brassica как функциональные продукты

Растёт признание научного обоснования поговорки «Мы то, что мы едим». Другими словами, наша пища — это не просто источник энергии, но и множество других необходимых компонентов для здоровья и благополучия человека. Овощи Brassica все чаще рассматриваются как существенный вклад в здоровье потребителей в долгосрочной перспективе. В дополнение к высоким уровням клетчатки, витаминов и минералов, капуста содержит глюкозинолаты, гидролизующиеся в изотиоцианаты под действием ферментов мирозиназы при повреждении растительных клеток при жевании. Изотиоцианаты хорошо известны как мощные индукторы детоксикации млекопитающих (фаза 2) и активности антиоксидантных ферментов, защищающих от онкогенеза, при тестировании на грызунах, страдающих от опухолей молочной железы, желудка и предстательной железы. Сульфорафан (4-метилсульфинилбутилизотиоцианат), полученный из брокколи (калабрезе) (Brassica oleracea var. italica), особенно эффективен против онкогенеза, снижения гипертонического стресса и лечения инфекций Helicobacter pylori (Fahey et al., 1997, 2002). Диетическое потребление изотиоцианатов можно удовлетворить, употребляя в пищу ряд зелёных овощей Brassica, а также семена и ростки брокколи.

Программы селекции растений, направленные на увеличение содержания изотиоцианатов в гибридных линиях Brassica, описаны Mithen et al. (2003) в Великобритании и Abercrombie et al. (2005). Повышение содержания изотиоцианата в проростках и семенах Brassica предлагает более дешевую альтернативу, поскольку можно использовать сорта с открытым опылением (Farnham et al., 2005). Чаррон и Сэмс (2004) выращивали базовую популяцию Brassica oleracea с быстрым циклом на гидропонике с тщательным контролем температуры, фотопериода и радиационной среды. Высокая температура (32 °С по сравнению с 22 °С) увеличивала образование глюкорафинина, предшественника сульфорафана, в 5 раз. Выработке общего количества глюкозинолатов, как правило, способствуют как низкие, так и повышенные температуры, что подтверждает мнение, что первоначальная функция этих соединений в крестоцветных заключается в поддержке механизмов, противодействующих стрессам окружающей среды.

Значительные количества глюкозинолатов обнаружены в декоративной капусте и формах капусты Brassica oleracea (Kushad et al., 2004), что также может представлять возможности для гибридизации. Другие полезные для здоровья соединения, такие как лютеин и β-каротин, содержатся в капусте, полученной из португальских наземных рас, как сообщает Копселл и др. (2004), с высоким уровнем изменчивости, которые могут быть использованы селекционерами.

Международные организации и сотрудничество по видам рода Brassica

Разработка генотипов Brassica с быстрым циклом привела к созданию в 1982 году в США Кооператива по генетике крестоцветных (CrGC) в качестве средства распространения семян и информации среди исследователей и других лиц по всему миру. С 1982 года CrGC проводит регулярные встречи для обсуждения результатов исследований. В 1994 году 9-й семинар CrGC был проведен в Лиссабоне, Португалия, в сотрудничестве с 1-м Международным симпозиумом Brassica, спонсируемым Международным обществом садоводческих наук (ISHS), Левен, Бельгия. Эта организация объединенных международных симпозиумов Brassica и семинаров CrGC успешно привела к проведению встреч в Ренне, Франция (1997 г.), Уэллсборн, Великобритания (2000 г.) и Тэджон, Южная Корея (2004 г.). В промежутках между этими объединенными встречами CrGC продолжает проводить встречи раз в два года в США и других странах.

Стоит отметить, что существует также ряд международных конгрессов по рапсу, которые проходят параллельно встречам по овощным культурам Brassica. Эти встречи и организации взаимно поддерживают друг друга и в сотрудничестве с Информационным бюллетенем Crucifer (опубликованным INRA, Ренн, Франция) предлагают средства, с помощью которых ученые, интересующиеся Brassica и родственными родами, могут очень быстро обмениваться знаниями. Существуют также веб-сайты Brassica:

www.brassica.info;
www.bbsrc.ac.uk.

Литература

Dixon, Geoffrey R. Vegetable brassicas and related crucifers. Centre for Horticulture and Landscape, School of Biological Sciences, University of Reading, UK.. 2006

Генетика и селекция Капусты

Геномные признаки и таксономия

Биология цветения в связи с контролируемым опылением

Микроразмножение

Геномика и картирование

Культура тканей, слияние и трансформация

Мужское бесплодие

Самонесовместимость

Проверка самонесовместимости

Опыление бутонами

Производство гибридов F1

Самоопыление

Перекрестное опыление

Увеличение производства семян

Яровизация

Подготовка растений к размножению после селекции

Селекционная устойчивость к патогенам

Устойчивость

Устойчивость всходов и взрослых растений

Методы отбора кочанной капусты по конкретным признакам

Форма кочана капусты

Кочанность

Кочанные листья

Размер кочана

Высота растения

Ширина кочерыги

Длина кочерыги

Размер растения

Растрескивание кочана

Пригодность к хранению

Зимние сорта

Разведение брокколи

Жаростойкость

Ветвление

Способность к хранению

Другие характеристики

Разведение цветной капусты

Жаростойкость

Цвет "творога"

Селекция брюквы

Селекция брюссельской капусты

Селекция пекинской капусты

Новые направления развития Brassica

Биологические модели

Arabidopsis thaliana — ботаника и экология

Использование Arabidopsis thaliana в генетических и молекулярных исследованиях

Преимущества Arabidopsis thaliana

Быстроциклирующие виды Brassica

Образовательные средства

Brassica как функциональные продукты

Международные организации и сотрудничество по видам рода Brassica

Литература

Производство гибридов F₁