Home » Овощеводство » Качество плодов томата

Качество плодов томата

Основная страница: Томат

Качество мясистых плодов томата — это сложный признак, включающий множество переменных. В то время как коммерческое качество зависит в основном от внешней привлекательности (например, цвет, форма, размер), упругости и срока хранения, органолептическое качество зависит от физических (текстура или упругость) и биохимических признаков, определяющих общий вкус и аромат. С другой стороны, полезные свойства зависят от содержания витаминов и антиоксидантных соединений (ликопин, p-каротин, аскорбиновая кислота и полифенол), а также минералов (калий, кальций, фосфор, магний), тогда как санитарное качество определяется остатками пестицидов или других вредных соединений, таких как аллергены, микотоксины, антибиотики, стойкие загрязнители окружающей среды и патогенные микроорганизмы. В прошлые десятилетия генетическое усовершенствование в основном шло на пользу производителям и дистрибьюторам путем выведения устойчивых продуктивных сортов и продуктов с длительным сроком хранения, в то время как предпочтения потребителей обычно игнорировались. В то же время, урожайность неуклонно росла за счет улучшения технического управления культурами в садоводстве, так что интенсивные системы производства выпустили на рынок однородные, прочные, но безвкусные продукты, подходящие для крупных дистрибьюторских сетей. В последнее время социальный спрос на вкусные, полезные фрукты, богатые витаминами и антиоксидантными соединениями, а также на экологически чистое производство фруктов, не содержащих пестицидов и остатков, дал толчок новым исследованиям, касающимся этих признаков. Между тем, свежие фрукты были признаны основным источником витаминов и антиоксидантов, а также важными компонентами рациона и благосостояния человека благодаря их питательной ценности. Таким образом, увеличение их потребления стало приоритетной задачей во всем мире, в частности, для ограничения рисков хронических заболеваний и дефицита питательных веществ. Томат также представляет собой важную экономическую проблему, поскольку он занимает второе место среди овощей (первое среди фруктов), потребляемых во всем мире. Изменение социального и экологического контекста привело к поиску новых сортов, адаптированных к более устойчивым способам производства и способных поддерживать урожайность и производить плоды высокого качества.

Содержание

Эта глава посвящена основным признакам качества с точки зрения потребителя, которыми являются размер плода или свежий вес, цвет, вкус, аромат, текстура и питательная ценность. Были определены стандарты качества, которые дают количественную рыночную стоимость. Однако существует столько же стандартов качества, сколько и типов потребителей. Крупномасштабное исследование (Causse et al., 2010) показало, что предпочтения довольно однородны в европейских странах (Нидерланды, Франция и Италия) и что в каждой стране два основных фактора различают потребителей свежих томатов: первый основан на общем вкусе плодов (аромат, сочность, вкус); второй состоит из текстурных компонентов, таких как упругость, «таяние» и хруст.

Качество плодов оценивается при сборе урожая, но оно формируется в процессе развития плодов, являясь результатом многих взаимодействующих процессов роста и метаболической деятельности, которые регулируются в соответствии с онтогенетической программой плода и условиями окружающей среды (Genard et al., 2007). Вкус, текстура, общий аромат и питательная ценность плодов в основном определяются количеством сухого вещества и его составом из сахаров, кислот, целлюлозы и белков, антиоксидантных соединений и минералов, а также соотношением между сахарами и кислотами и их разбавлением водой. При сборе урожая эти характеристики сильно варьируются среди свежих томатов: свежий вес плодов может отличаться в 200 раз, в то время как содержание сухого вещества, сахара, кислот или витамина С может варьироваться в 4-5 раз. После сбора урожая качество продолжает меняться в зависимости от условий послеуборочного хранения и стадии созревания урожая. Несмотря на растущие знания об основных метаболических путях и молекулярных регуляторах, происходящих на уровне растений и плодов, улучшение качества плодов и согласование как урожайных, так и качественных признаков все еще остается сложной задачей. Действительно, из-за антагонистических отношений между размером плода и его составом по сахарам, наиболее вкусными сортами являются томаты черри или коктейльные томаты, которые представляют лишь незначительную часть рынка, в то время как вкус крупных сортов плодов томатов довольно беден. Для того чтобы получить представление о формировании и вариациях качества плодов в зависимости от генетических и экологических условий, предварительным шагом является понимание процессов, лежащих в основе каждого признака, и разработка интегративных подходов к качеству плодов для распутывания сложной сети взаимодействий между этими процессами в ответ на внешние или внутренние стимулы. По этой причине в последние десятилетия понимание качества плодов в связи с взаимодействием ген x среда x управление (GxExM) и анализ корреляций между урожайностью и качественными признаками стали ключевыми задачами для физиологов и экофизиологов плодов с учетом управления сельскохозяйственными культурами и адаптации сортов к конкретным условиям окружающей среды.

Данная глава состоит из пяти частей. В первой части описываются основные признаки качества плодов томата и процессы, лежащие в их основе. Во второй и третьей частях рассматриваются некоторые влияния экологических и генетических факторов, участвующих в изменении качества. В четвертой части представлены некоторые физиологические нарушения, которые могут негативно повлиять на товарный урожай. Наконец, в последней части обсуждается интегративный подход к оптимизации качества плодов.

Размер и форма плодов

Размер и форма плода

Размер и форма плодов томата являются основными признаками качества, демонстрирующими огромную генетическую изменчивость (Tanksley, 2004). Форма плода определяется в основном генетическим составом и сильно варьируется в процессе селекции. Размер плода в значительной степени варьирует в ответ на взаимодействие GxExM. Увеличение объема плода происходит в результате развития ткани околоплодника, на которую обычно приходится более двух третей общего веса плода (Ho, 1996). Увеличение объема околоплодника происходит за счет двух важных процессов:

  1. образование новых клеток, которое ограничено более или менее коротким периодом (10-25 дней после антезиса) развития;
  2. расширения клеток, которое обычно продолжается до начала созревания (рис.).

Динамика (A) свежего веса плодов (сплошные линии), количества клеток околоплодника (пунктирные линии) и среднего объема клеток (пунктирные линии) и (B) содержания сухого вещества в плодах томатов черри (красные) и крупноплодных (синие). Кривые были подогнаны под несколько наборов экспериментальных данных. (N. Bertin)

Хотя большая часть увеличения объема плода происходит во время фазы расширения, несколько авторов представили доказательства того, что конечный размер сильно коррелирует с количеством клеток, определяемым на ранней стадии деления (рис.) (Bertin et al., 2003). После прекращения деления клеток увеличение объема ткани происходит в результате роста клеток за счет увеличения цитоплазматического объема и расширения за счет вакуолизации, а также за счет биофизических ограничений, связанных с растяжимостью эпидермы (Thompson, 2001). Расширение клеток поддерживается давлением содержимого клеток и сдерживается свойствами клеточной стенки (Cosgrove, 1997). Снижение тургора и водного потенциала клетки в результате расслабления и разрыхления клеточной стенки позволяет воде проникнуть в клетку и стимулировать ее расширение (Lockhart, 1965). Вода поступает в плод через ткани ксилемы (15-20% притока воды) и флоэмы (75-80% притока воды) по градиенту водного потенциала от стебля к плоду, который создается градиентом осмотического потенциала между тканями источника и поглотителя, связывая расширение клеток с метаболизмом сахара и субклеточной компартментализацией. Было обнаружено, что прекращение деления клеток и увеличение их размера тесно связаны с переключением полного митотического цикла на неполный цикл без митоза, так называемую эндоредупликацию, которая приводит к образованию полиплоидных клеток в ткани околоплодника, где С-значения варьируют от 2С до 512С (Joubes and Chevalier, 2000). У томата крупные клетки с эндоредупликацией расположены в мезокарпе с содержанием ДНК до 256С (восемь эндоциклов) или даже 512С (девять эндоциклов) у томата черри, а также у крупноплодных сортов (Bertin et al., 2007). Функциональная роль эндоредупликации остается спорной. Среди большого разнообразия линий томата, Cheniclet и др. (2005) сообщили о положительной корреляции между эндоредупликацией и размером клеток тканей околоплодника. В отличие от этого, отсутствие корреляции было зарегистрировано у мутантов с изменением числа эндоциклов (Leiva-Neto et al., 2004), у трансгенных линий, экспрессирующих ингибитор клеточного цикла (De Veylder et al., 2001), или в ответ на изменение условий роста, влияющих на размер клеток (Bertin, 2005). Для объяснения связи между размером клеток и размером ядер или содержанием ДНК было разработано множество теорий, например, теория ядерно-цитоплазматического соотношения, однако молекулярная основа этой корреляции остается малоизученной (Chevalier et al., 2011).

Взаимосвязь, наблюдаемая при созревании между свежим весом плода и количеством клеток в популяции QTL-NILs томата. Каждая точка представляет собой отдельный плод, а каждый цвет - отдельный генотип. (Bertin et al., 2009).

Начало созревания плодов совпадает с быстрым замедлением расширения клеток и началом интенсивных метаболических преобразований. Томат является климактерическим плодом, и созревание связано с выработкой этилена и пиком клеточного дыхания как в прикрепленных, так и в отделенных плодах томата. По мере созревания цвет плода меняется от зеленого к красному, поскольку хлоропласты превращаются в хромопласты, хлорофилл разрушается и накапливаются каротиноиды. Происходит размягчение плода и изменение текстуры, поскольку клеточная стенка плода частично разбирается ферментами, а спелый вкус развивается по мере увеличения специфических летучих веществ и изменения сахаро-кислотного баланса. Биосинтез этилена в предклимактерических незрелых и зрелых зеленых плодах томата и созревающих климактерических плодах томата происходит по традиционному пути метионин — SAM — ACC — этилен (Abeles et al., 1992). Воздействие на зрелые зеленые плоды эндогенного уровня этилена ускоряет наступление климакса и созревание. Как только концентрация этилена внутри плода превысит «пороговый» уровень, он будет способствовать собственному биосинтезу (т.е. положительная обратная связь), и автокаталитическая выработка этилена вызовет быстрое увеличение производства и накопления в тканях (Abeles et al., 1992). Атмосфера внутри плода томата эффективно изолирована от окружающей атмосферы непроницаемой кожицей и кутикулой; около 95% газообмена происходит через рубец стебля. Поэтому, как только этилен начинает свой климактерический подъем с положительной обратной связью, лишь немногие внешние воздействия могут регулировать его синтез. Пониженные температуры и пониженная кислородная атмосфера замедляют общий метаболизм, но созревание продолжается, хотя и более медленными темпами. Однако некоторые ингибиторы действия этилена (например, 1-метилциклопропан (1-MCP), пары этанола), по-видимому, останавливают обратимое созревание плодов под действием этилена практически на любой стадии спелости (Saltveit and Sharaf, 1992).

Текстура плода

Текстура является основным признаком качества, определяющим конечную потребительскую ценность плодов, независимо от того, предназначены ли они для свежего рынка или для промышленной переработки. В случае с томатами текстура не только влияет на покупку и потребительское одобрение, но и оказывает значительное влияние на органолептическое качество в целом, срок хранения и транспортабельность (Seymour et al., 2002), а также сильно влияет на восприятие вкуса и аромата (Causse et al., 2003). Текстура — сложный признак, подразумевающий несколько компонентов, таких как упругость, «талость», мучнистость, сочность или хрусткость (Harker et al., 2002). Его можно оценить с помощью сенсорного анализа (Szczesniak, 2002) или объективно измерить инструментальными методами, включая механические измерения, магнитно-резонансную томографию, звуковые и ультразвуковые методы (Abbott, 1999). Наиболее распространенными механическими методами являются тесты на сжатие и прокол (Barrett et al., 2010), которые в основном оценивают упругость и эластичность плодов или тканей и обычно хорошо коррелируют с сенсорной оценкой (Causse et al., 2002).

Механизмы, лежащие в основе текстуры фруктов, сложны. Обширная работа была посвящена молекулярным и биохимическим механизмам, которые приводят к размягчению плодов во время созревания, когда снижение упругости плодов совпадает с растворением средней ламеллы, что приводит к уменьшению межклеточной адгезии, деполимеризации и солюбилизации гемицеллюлоз и пектиновых полисахаридов клеточной стенки (Toivonen and Brummell, 2008). Эти события сопровождаются повышенной экспрессией многочисленных ферментов, разрушающих клеточную стенку, включая гидролазы, трансглюкозилазы, лиазы и другие белки, разрыхляющие стенку, такие как экспансины. Однако текстура плода может определяться уже в период роста плода (Cha’ib et al., 2007), вовлекая различные механизмы. В нескольких отчетах рассматривается важность анатомических и гистологических свойств плодов (Barrett et al., 1998). На уровне плода пропорции и толщина различных тканей являются определяющими факторами для текстуры плода (Bourne, 2002). В масштабах ткани клеточная структура, вероятно, вовлечена в механические свойства плода, такие как упругость (Aurand et al., 2012). Кроме того, тургор клеток (Shackel et al., 1991), транспорт растворителей между клеточными компартментами (Almeida and Huber, 1999), химические и механические свойства клеточных стенок (Rosales et al., 2009), структура кутикулы и потеря воды при транспирации (Saladie et al., 2007) также вносят свой вклад в текстурные свойства. В недавнем исследовании (Aurand et al., 2012) было отмечено, что упругость и жесткость томатов, измеренные методом прокола, коррелируют как с морфологическими (количество локуляров), гистологическими (размер клеток), так и с биохимическими (содержание сухого вещества и растворимого сахара) признаками плодов.

После сбора урожая текстура быстро изменяется, в то время как разрушение мембран и клеточных стенок происходит в связи с потерей тургора и ферментативным разрыхлением клеточных стенок. Эта эволюция может критически угрожать распространению продукции, что влечет за собой драматические экономические последствия.

Состав плодов по сахарам и кислотам

Растворимые сахара (глюкоза, фруктоза и сахароза) и органические кислоты (в основном яблочная и лимонная кислоты) являются основными осмотическими соединениями, накапливающимися в плодах томатов. Как абсолютное количество, так и баланс между сахарами и кислотами отвечают за сладость и кислинку плодов и вносят вклад в их общий вкус (Davies and Hobson, 1981). Плоды томата состоят примерно на 90-95% из воды и 5-10% сухого вещества, из которого около 50% приходится на сахара и 15% на органические кислоты и аминокислоты (рис. 5.3). Структура плода и соотношение различных тканей может влиять на его вкус, так как желеобразные ткани содержат больше кислот и меньше сахаров, чем ткани околоплодника. Метаболические пути синтеза сахаров и кислот и связи между ферментативной деятельностью и накоплением продуктов в плодах хорошо документированы (обзор Etienne et al., 2013, для кислот и Beckles et al., 2012, для сахаров).

Состав сухого вещества плодов томата.
Состав сухого вещества плодов томата.

Плоды томата переходят от частично фотосинтетического к истинно гетеротрофному метаболизму. Редкие количественные исследования показали, что углерод, фиксированный самим плодом, составляет от 10% до 15% от того, что требуется для роста плода (Tanaka et al., 1974). Другие исследования на основе трансгенных линий или мутантов подтвердили, что фотосинтез плодов не является необходимым для энергетического метаболизма или развития плодов, но предположили важную роль фотосинтеза в инициации развития плодов или в правильно выбранном времени развития семян (Lytovchenko et al., 2011). Таким образом, большая часть углерода, необходимого для роста, импортируется из листьев в плод через ткани флоэмы. Сукроза является основной формой импорта углерода в плоды томата. Она либо метаболизируется в апопласте под действием инвертазы клеточной стенки, либо напрямую транспортируется в клетки плода (рис.). Транспорт происходит через симпласт (через плазмодесмы) или апопласт с участием гексозных транспортеров. Хотя считается, что симпластическая загрузка сахарозы преобладает в молодых плодах, предполагается, что апопластическая загрузка происходит на протяжении всего развития плода (Zanor et al., 2009). Часть импортированного углерода расходуется в процессе дыхания, обеспечивая энергию для поддержания и структурного роста, а остальная часть запасается в различных формах (в основном крахмал, сахароза, глюкоза, фруктоза). В то время как пулы гексоз увеличиваются до созревания, переходный пул крахмала, особенно расположенный в колумелле, плаценте и внутреннем и радиальном околоплоднике (Шаффер и Петрейков, 1997), заполняется в ранней фазе расширения плода и достигает максимума примерно через 10-25 дней после антезиса (рис.). Крахмал, накопленный в этот период, впоследствии полностью гидролизуется, и максимальный уровень крахмала хорошо коррелирует с конечным уровнем растворимых сахаров (Ho, 2003). В зрелом плоде глюкоза и фруктоза присутствуют в приблизительно эквимолярном соотношении (Davies and Hobson, 1981), а сахароза составляет небольшую часть растворимых сахаров (обычно менее 5%) у большинства коммерческих сортов (Ho, 1996).

Углеводный обмен в развивающихся плодах томата
Углеводный обмен в развивающихся плодах томата. Сахароза может импортироваться непосредственно через симпласт или может быть инвертирована в апопласте в гексозы, которые затем импортируются в клетку. И сахароза, и гексозы могут храниться в вакуолях. Переход сахарозы в крахмал происходит на ранних стадиях развития плода - от антезиса (предзавязи) до ~20-25 дней после завязи (DPA). Здесь преобладает метаболизм сахарозы через синтазу сахарозы и гексокиназы. Затем промежуточные продукты гексозофосфата импортируются в пластиды для синтеза крахмала. По мере созревания плода активность синтазы и гексокиназы снижается по сравнению с инвертазой, а апопластический импорт гексозы становится более значительным с хранением сахаров в вакуолях. Биосинтез крахмала минимален, происходит активная деградация крахмала, что может увеличить содержание сахаров, доступных для хранения. (Beckles et al., 2012). Ферменты: 1 - инвертаза апопласта (клеточной стенки); 2 - глюкокиназа; 3 - фруктокиназа; 4 - сахарозосинтаза; 5 ыахарозофосфатсинтаза (SPS); 6 - инвертаза; 7 - пирофосфорилаза ADPглюкозы (AGPase); фосфорилаза крахмала. Транспортеры: A, B - апопластические транспортеры гексозы; C - вакуолярный транспортер сахарозы; D, E - гексозные вакуолярные транспортеры; F - пластидиальный транспортер гексозофосфата.
Состав сухого вещества в общих растворимых сахарах (сплошные линии) и крахмале
Состав сухого вещества в общих растворимых сахарах (сплошные линии) и крахмале (пунктирные линии) во время развития плодов томата черри (красный) и крупноплодного (синий). Вертикальные полосы обозначают 95% доверительные интервалы.

Яблочная и лимонная кислоты являются основными органическими кислотами, накапливающимися в плодах томатов. Они определяют кислотность мясистых плодов, измеряемую титруемой кислотностью и/или pH. В настоящее время рН томатного сока колеблется между 4 и 4,5, но он не коррелирует с содержанием кислот, которое колеблется в гораздо большем диапазоне. Восприятие кислотности плодов связано в основном с лимонной кислотой. Несмотря на то, что некоторые органические кислоты поступают с соком, колебания кислотности плодов в основном обусловлены метаболизмом малата и цитрата в самих плодах (рис.). Этьен и др. (2013) показали, что накопление малата и цитрата является результатом сложных взаимодействий между метаболизмом и вакуолярным хранением. Первые этапы синтеза кислот, т.е. синтез малата и оксалоацетата, происходят в цитозоле и требуют фиксации CO2 на углеродном скелете, полученном в результате катаболизма гексозы. В регуляции синтеза малата важную роль играют цитозольный рН и концентрация малата (Etienne et al., 2013). Затем малат может быть преобразован в цитрат или в другие трикарбоксилаты или дикарбоксилаты через несколько путей в митохондриях, что приводит к колебаниям кислотности плода. Хотя синтез и превращение кислот по разным путям происходит в разных клеточных компартментах (цитозоле, митохондриях и глиоксисомах), большое количество кислот накапливается в основном в вакуолях после транспортировки через тонопласт, которая зависит как от вакуолярного pH, так и от градиента электрического потенциала через тонопласт. Затем, во время созревания плодов, цитозольная деградация органических кислот через путь глюконеогенеза способствует накоплению растворимых сахаров (Etienne et al., 2013).

Пути метаболизма цитрата и малата в клетках мезокарпа плодов
Пути метаболизма цитрата и малата в клетках мезокарпа плодов. Показаны только ферменты, описанные в источнике. ACO - аконитаза; ATP-CL - АТФ-цитрат-лиаза; CS - цитрат-синтаза; ICL - изоцитрат-лиаза; MS - малат-синтаза; NAD-MDH - NAD-малатдегидрогеназа; NAD-ME - NAD-малиновый фермент; NAD-IDH, NAD-изоцитрат дегидрогеназа; PDH, пируват дегидрогеназа; PEPC, фосфоенолипируват карбоксилаза; PEPCK, фосфоенолпируват карбоксикиназа; PPDK, пируват ортофосфат дикиназа. Вероятное направление обратимых реакций указано большой стрелкой. Пунктирные синие стрелки указывают на транспорт малата и цитрата. Названия оранжевым цветом - дикарбоксилаты, красным - трикарбоксилаты.

Аскорбат (витамин С)

Аскорбиновая кислота или аскорбат (AsA) играет важную роль в растениях. Например, она участвует в делении клеток и синтезе клеточной стенки, а также во взаимодействии растений с окружающей средой, патогенами и окислителями (Smirnoff, 2000). Он также является важным микроэлементом и незаменимым антиоксидантом в рационе человека. В томатах витамин С существует в двух водорастворимых, биологически активных формах: аскорбат (восстановленная форма) и дегидроаскорбиновая кислота (окисленная форма). Обе формы присутствуют во всех клеточных компартментах тканей, находящихся в стадии активного роста и развития, а общее количество витамина С колеблется от 20 до 60 мг/100 г свежего веса у разных видов и сортов томатов (Таблица) (CTIFL, 2011). Путь биосинтеза АсА в растениях и многочисленные ферменты, участвующие в этом процессе, хорошо описаны (путь L-галактозы) (Wheeler et al., 1998). АсА синтезируется из D-глюкозы как в листьях, так и в плодах. После синтеза AsA может быстро окисляться в результате своей антиоксидантной функции, поэтому путь рециркуляции (восстановление окисленной формы) также играет важную роль в поддержании уровня AsA и редокс-статуса в клетках растений (Massot et al., 2013). Таким образом, размер пула АсА в плодах зависит от его импорта (или импорта предшественников) из листьев, его синтеза и рециркуляции в плодах, его экспорта, а также от степени его окисления или деградации. Во время развития плодов содержание АсА снижается в периоды деления и расширения клеток, вероятно, из-за эффекта разбавления, а затем увеличивается во время созревания одновременно с содержанием гексозы (Massot et al., 2010). Многие исследования выявили хорошую корреляцию между содержанием растворимых сахаров и АсА в плодах. Однако последние работы показали, что синтез АсА в плодах томата не ограничен содержанием сахара (Massot et al., 2010) и что синтез in situ преобладает над транспортом АсА из листьев (Gautier et al., 2009).

Таблица. Состав различных спелых томатов. (Кантвелл, 2010)

Тип
Масса плода, г
Красный цвет, тон
Растворимые твердые вещества, %
Сахар, мг/мл
Титруемая кислотность, %
Витамин С, мг/100 г
Ликопин, мг/кг
Campari
53,1
44,2
6,3
31,4
0,58
40,5
63,0
Cherry
20,3
45,5
4,2
28,9
0,31
54,0
84,6
Grape
5,0
51,3
5,6
29,5
0,51
47,1
49,1
Grape
6,2
41,7
4,2
39,6
0,35
61,7
98,0
Orange Cluster
11,5
71,5
4,6
26,1
0,33
29,2
4,2
Round Cluster
102,1
43,2
7,6
20,1
0,62
26,9
53,6
Round Cluster
119,8
44,6
3,8
15,3
0,44
26,0
44,8
Round Greenhouse
231,2
45,9
4,5
22,5
0,36
30,4
28,0
Round Greenhouse
179,4
47,7
4,7
25,0
0,44
20,4
42,5
Roma
94,8
42,1
4,3
24,0
0,27
22,8
46,4
Roma
84,5
45,2
6,2
20,2
0,67
24,3
44,4
Romanita
20,5
41,3
6,3
32,9
0,44
45,9
70,3
LSD 0.05
6,7
2,4
0,3
5,0
0,08
8,0
7,5

В послеуборочный период содержание аскорбиновой кислоты значительно снижается в процессе хранения, но содержание витамина С демонстрирует значительную стабильность, если выразить его как сумму аскорбиновой кислоты и дегидроаскорбиновой кислоты. Более того, было показано, что зрело-зеленые и брейкерные плоды, которые дозревали с помощью этилена, теряют меньше витамина С к моменту достижения ими стадии красной спелости, чем плоды, которым позволили дозреть без добавления этилена. Однако и в том, и в другом случае содержание витамина С ниже, чем в плодах, созревших на растении. Интересно, что активность монодегидроаскорбат-редуктазы (MDHAR) играет важную роль в поддержании уровня аскорбата в плодах после повреждения от охлаждения, вызванного хранением при температуре ниже 10°C. Кроме того, в этих условиях увеличивается количество аскорбата в плодах. Более того, в этих условиях повышенная активность MDHAR в плодах и более низкий уровень окисления аскорбата в плодах коррелируют с уменьшением потери упругости (Stevens et al., 2008).

Каротиноиды плодов

Каротиноиды также имеют важное значение в рационе человека благодаря своим антиоксидантным свойствам (Dorais et al., 2008). Помимо интереса для человека, каротиноиды играют фундаментальную биологическую роль в растениях (например, в сборе света в фотосинтетических мембранах, защите фотосинтетического аппарата от избыточной световой энергии, пигмент-белковых комплексах в тилакоидах, предшественниках абсцизовой кислоты и аттрактантах для опылителей, участвующих таким образом в рассеивании семян).

Каротиноиды — это молекулы изопренового ряда C40, образующиеся в пластидах одновременно с дифференциацией хлоропластов в хромопласты. Накопление каротиноидов пространственно и временно регулируется в хлоропластах и хромопластах плодов и цветков. Все каротиноиды синтезируются из геранилгеранилдифосфата (GGPP). Затем изомеризация, циклизация, гидрогенизация и оксигенизация приводят к химической изменчивости каротиноидов, накопление которых является результатом баланса между синтезом и катаболизмом посредством ферментативного или неферментативного окислительного расщепления (обзор Fanciullino et al., 2014). Наиболее распространенным каротиноидом в плодах томата является ликопин, за ним следуют фитоен, фитофлуен, дзета-каротин, гамма-каротин, бета-каротин (предшественник витамина А), нейроспорин и лютеин. Ликопин и р-каротин являются основными пигментами спелых плодов томата, ответственными за окраску плодов, а ликопин составляет около 80-90% от общего содержания каротиноидов в спелых плодах. В томатах общая концентрация каротиноидов увеличивается от 10 до 50 раз во время созревания плодов при одновременном снижении содержания хлорофилла (Fraser et al., 1994). Сообщается, что содержание ликопина и р-каротина колеблется от 0,4 до 10 мг/100 г живого веса и от 0,6 до 1,4 мг/100 г живого веса (CTIFL, 2011). Основной механизм, контролирующий увеличение содержания каротиноидов, основан на дифференциальной регуляции экспрессии генов, кодирующих ферменты биосинтетического пути каротиноидов, таких как гены фитоен-синтазы и фитоен-десатуразы (Fraser et al., 1994). Путь биосинтеза каротиноидов хорошо описан, и было предложено несколько механизмов регуляции, включая этилен, свет, доступность субстратов и метаболическую секвестрацию (Ronen et al., 1999; Fanciullino et al., 2014). Однако накопление каротиноидов и активность многих ферментов, участвующих в биосинтезе, не коррелируют во время развития плодов.

Способность плодов синтезировать ликопин и р-каротин практически такая же, как и у собранных зрело-зеленых плодов, как и у плодов, созревающих на растении (Таблица). Воздействие этилена на собранные зрело-зеленые плоды стимулирует нормальное созревание с синтезом и накоплением ликопина и бета-каротина, часто в большей степени, чем у собранных плодов, оставленных дозревать без стимуляции этиленом (Saltveit, 1999).

Таблица. Состав плодов томатов на разных стадиях спелости. Плоды собирали на стадии зрелой зелени, брейкера или красно-спелой спелости. (Cantwell, 2000.)

Стадия спелости
Растворимые твердые вещества (%)
Редуцирующие сахара (%)
pH
Титруемая кислотность (%)
β-каротин (мкг/г)
Ликопин (мкг/г)
Аскорбиновая кислота (мг/100 г)
Зрело-зеленый
2,37
0,81
4,20
0,28
0,0
0,0
12,5
Переходный
2,42
0,85
4,17
0,39
0,40
0,52
18,0
Красно-спелый
5,15
1,62
4,12
0,43
4,33
48,3
22,5

Цвет и внешний вид плодов

Во время созревания наиболее очевидные внешние изменения связаны с потерей хлорофилла и накоплением ликопина, что сначала становится заметным на цветущем конце плода и прогрессирует к концу плодоножки. Поэтому во время созревания плоды могут быть частично зелеными и красными. Однако после созревания высококачественные плоды имеют равномерный красный цвет, распределенный по всей поверхности плода. При надлежащих условиях температуры и влажности плоды томата проходят шесть четко определенных стадий до стадии красной спелости (рис.). К этим стадиям относятся:

  1. зрело-зеленый;
  2. переломный;
  3. переходный;
  4. розовый;
  5. светло-красный;
  6. красно-спелый.
Стадия зеленой спелости томата
"Зеленый" означает, что поверхность томата полностью зеленого цвета. Оттенок зеленого может варьироваться от светлого до темного.
Переломная стадия зрелости томата
"Переломный" означает, что существует определенный "переломный" в цвете от зеленого до дубильно-желтого, розового или красного цвета не более чем на 10% поверхности.
Переходная стадия спелости томата
"Переходная" означает, что более 10%, но не более 30% поверхности, в совокупности, показывает определенное изменение цвета от зеленого до дубильно-желтого, розового, красного или их комбинации.
Розовая стадия спелости томата
"Розовый" означает, что более 30%, но не более 60% поверхности в совокупности имеет розовый или красный цвет.
Светло-красная стадия спелости томата
"Светло-красный" означает, что более 60% поверхности, в совокупности, имеет розовато-красный или красный цвет, при условии, что не более 90% поверхности имеет красный цвет.
Стадия красной спелости томата
"Красный" означает, что более 90% поверхности в совокупности имеет красный цвет.

Они почти полностью основаны на внешнем изменении цвета плода от зеленого к красному (т.е. разрушение хлорофилла и синтез ликопина). На стадии зрелого зеленого плода (без внешнего красного окрашивания) плоды достигают примерно 80% своего конечного размера и приобретают способность продолжать нормально развиваться и созревать после сбора урожая. Хотя плоды большинства сортов по мере созревания меняют цвет с равномерного зеленого на красный, у некоторых сортов плоды желтеют (снижается или неполный синтез ликопина) или имеют пеструю окраску.

Полифенолы плодов

Полифенолы представляют собой широко распространенное семейство фитохимических веществ с разнообразными биологическими функциями в растениях, например, в ответ на различные биотические или абиотические стрессовые факторы. Они также являются биологически активными соединениями для здоровья, участвующими в профилактике рака и сердечно-сосудистых заболеваний, что связано с их мощной антиоксидантной активностью, а также гепатозащитной, гипогликемической и противовирусной активностью (Slimestad and Verheul, 2009). Полифенолы в основном синтезируются из фенилаланина, продуцируемого шикимовой кислотой. Помидоры являются важным источником фенольных соединений, в основном ограниченных кожурой и экзокарпием. Сообщается, что в плодах содержится около 50 соединений, среди которых фенольные кислоты, фенилпропаноиды, кумарины и флавоноиды играют важную роль в качестве плодов (Slimestad and Verheul, 2009). Хлорогеновые кислоты и флавоноиды являются основными полифенолами томатов. Согласно базе данных по флавоноидам Министерства сельского хозяйства США (USDA) (Bhagwat et al., 2014), красные помидоры в среднем содержат 15 мг флавоноидов на кг сырого веса (FW), но общее содержание флавоноидов в разных сорта томата варьируется от 4 до 26 мг/100 г сырой массы тела (Slimestad and Verheul, 2009). Сообщается, что нарингенин (45%) является основным флавоноидом, за ним следуют кверцетин (39%), мирицетин (10%) и кемпферол (5%) (Slimestad and Verheul, 2009).

Аромат и вкус плодов

Вкус и аромат часто становятся причиной жалоб потребителей на качество томатов. Вкус является результатом сложного взаимодействия между сахарами, кислотами и ароматическими летучими соединениями (Baldwin et al., 2008). Было доказано, что последние влияют на восприятие и предпочтение плодов томата человеком (Tieman et al., 2012). В свежих томатах было обнаружено более 400 летучих соединений, среди которых только 30 присутствуют в концентрации более 1 ppb и поэтому долгое время считалось, что они вносят значительный вклад в ощутимый аромат (Buttery, 1993) (Таблица). Однако присутствие молекулы даже на относительно высоком уровне не обязательно вносит вклад во вкус или нравится потребителю. Исследование Tieman и др. (2012) показало, что практически полное удаление наиболее распространенного класса летучих веществ (C6 летучих веществ) в трансгенных фруктах, не затрагивая сахара, кислоты и другие летучие вещества, влияет на интенсивность аромата, но не оказывает существенного влияния на потребительские предпочтения. Таким образом, пороговые значения запаха сами по себе неадекватны для прогнозирования влияния конкретных летучих веществ на вкус. Более того, те же авторы продемонстрировали, что ароматические летучие вещества, такие как гераниол, вносят вклад в воспринимаемую сладость независимо от концентрации сахара, что позволяет предположить новый способ усиления восприятия сладости. Летучие соединения синтезируются во время созревания, при этом вклад локулярного геля в общее производство всего плода меньше (Maul et al., 1998). Летучие компоненты включают ациклические, циклические и гетероциклические углеводороды, спирты, фенолы, эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, эфиры и лактоны, а также азот, серу и галогенсодержащие соединения (обзор Lewinsohn et al., 2001). Аромат томата не связан напрямую с наличием или отсутствием какого-то одного соединения, а скорее с синергизмом между компонентами. (Z)-3-гексенал, гексанал, 1-октен-3-он, метионал, 1-пентен-3-он и 3-метилбутаналь относятся к наиболее активным в отношении запаха летучим веществам в свежих томатах (Krumbein and Auerswald, 1998), тогда как ациклический монотерпеновый спирт, линалоол, сильно влияет на аромат томатов (Buttery, 1993). Летучие соединения, обнаруженные в плодах, образуются в различных метаболических путях (Klee и Tieman 2013) и происходят из жирных кислот (например, цис-3-гексенол и н-гексанал), алифатических аминокислот (например, 2-изобутилтиазол и гваякол), фенольных соединений (например, эвгенол и метилсалицилат) или более длинных терпеноидов, таких как р-каротин и ликопин (например, р-ионон и геранилацетон). Хотя пути биосинтеза хорошо описаны, ферменты и гены, контролирующие производство ароматических соединений, известны плохо.

Табилца. Состав плодов томатов на разных стадиях спелости. Плоды собирали на стадии зрелой зелени, переломный или красной спелости. (Cantwell, 2000.)

Летучие вещества, нг/г свежих плодов в час
S. habrochaites
S. lycopersicum
Соотношение
LM777
LA4024
LA1777/LA4024
β-дамаскенон
0,18±0,07
0,01±0,00
30.31
Метилжасмонат
0,69±0,55
0,03±0,01
23.53
β-ионон
0,31±0,21
0,03±0,00
12
2-метилбутуналь
12,53±1,54
2,56±0,42
4.9
цис-2-пентен-1-ол
2,68±1,31
0,64±0,09
4.15
Изобулацетат
11,14±4,07
2,71±0,47
4.11
Геранилацетон
10,04±4,58
2,65±0,65
3.78
Фенилацетальдегид
1,03±0,29
0,28±0,09
3.69
2-метилбутанол
46,96±22,95
14,99±2,99
3.13
Бензальдегид
14,90±7,45
4,93±0,81
3.02
1-пентен-3-ол
10,78±3,6l
3,64±0,28
2.96
1-пентен-3-он
2,00±0,81
0,68±0,11
2.93
Пентаналь
12,78±4,42
5,07±0,36
2.52
Метилсалицилат
3,15±2,98
1,26±0,28
2.5
Метилбензоат
4,00±2,00
1,61±0,49
2.48
цис-3-гексеналь
169,21±117,83
69,13±13,94
2.45
2-метоксифенол
2,39±1,26
1,01±0,31
2.36
транс-2-генксаналь
4,47±1,53
2,52±0,72
1.77
Метиональ
0,24±0,18
0,14±0,02
1.7
Гераниаль
0,37±0,28
0,23±0,07
1.65
цис-3-гексен-1-ол
63,87±32,25
45,12±9,39
1.42
транс-2-пентаналь
0,81±0,50
1,14±0,16
0.72
Бензиловый спирт
0,27±0,15
0,43±0,11
0.63
2-фенилэтанол
0,24±0,04
0,42±0,15
0.58
Гексиловый спирт
20,02±16,24
36,08±13,02
0.56
3-метилбутанол
15,74±6,04
34,80±5,91
0.45
Гексаналь
54,12±27,38
120,18±14,58
0.45
1-пентанол
2,21±1,42
4,98±1,07
0.44
1-нитро-2-фенилэтан
0,42±0,28
1,25±0,30
0.33
транс-2-гептеналь
0,20±0,10
0,84±0,23
0.24
2-изобутилтиазол
0,48±0,29
5,05±0,75
0.09
Изовалеронитрил
0,61±0,33
6,90±1,80
0.09
6-метил-5-гептен-2-он
0,27±0,10
6,31±1,45
0.04

Плоды, собранные зрело-зелеными, неправильно созревшие или спелые плоды, хранившиеся при температуре охлаждения, не выделяют характерных летучих веществ, ассоциирующихся с высококачественными томатами (Saltveit, 1999).

Экологический контроль качества плодов

Множество исследований описательного характера выявили влияние факторов окружающей среды (температура, свет, CO2) или управления культурой (обрезка плодов, удобрение, водный и солевой стресс) на качественные признаки. Факторы окружающей среды могут влиять на качество плодов через их воздействие на фиксацию углерода и распределение между органами поглотителя, а также через осмотическое и тургорное регулирование, вызванное стрессом, и стимуляцию антиоксидантного метаболизма в случае индуцированного окислительного стресса. Поскольку во многих исследованиях состав плодов часто приводится в расчете на свежий вес, неясно, связано ли заявленное улучшение качества с фактической стимуляцией биосинтетической способности и/или с эффектами разбавления/концентрации, связанными с изменением размера плодов и содержания воды (Koricheva, 1999).

Важные признаки качества (размер и состав) оценивались в основном в ответ на водный или солевой стресс (Dorais et al., 2001; Guichard et al., 2001), частичное высушивание корней (Zegbe et al., 2006), распределение ассимилятов и углеводное отделение в плодах (Ho, 1996; Prudent et al., 2011) и удобрения (Benard et al., 2009). В целом, умеренный водный или углеродный стресс способствует повышению качества плодов за счет увеличения накопления соединений, участвующих во вкусовых и полезных свойствах (например, сахаров и кислот, аромата, витаминов, ликопина), но снижает размер плодов и товарный урожай (Ripoll et al., 2014). Компромисс между качеством и урожайностью должен быть найден путем манипулирования окружающей средой плодов для изменения соответствующих физиологических процессов, таких как метаболизм углерода и водные отношения. Например, было продемонстрировано, что содержание воды и химический состав плодов томата можно регулировать водным и солевым стрессами с небольшой потерей урожая (Ehret and Ho, 1986; Dorais et al., 2001), особенно если умеренный стресс накладывается на средних и поздних стадиях развития плодов (Mizrahi et al., 1988; Ripoll et al., 2016). При высокой электропроводности (EC) размер плодов находится в обратной зависимости от EC, в то время как содержание сухого вещества в плодах линейно увеличивается с ростом EC со скоростью, которая зависит от сортов, факторов окружающей среды, состава питательного раствора и управления культурой (Dorais et al., 2001).

Большинство ароматических и полезных для здоровья соединений, накапливающихся в томатах, регулируются факторами окружающей среды, в частности, светом и температурой (обзор Dorais et al., 2008; Poiroux-Gonord et al., 2010; Fanciullino et al., 2014). Низкие температуры (выше 10°C) в период роста обычно благоприятствуют накоплению аскорбиновой кислоты, фенольных соединений и каротиноидов, тогда как температура выше 26°C снижает содержание ликопина и P-каротина, но способствует образованию рутина и производных кофейной кислоты (Gautier et al., 2008). В целом, хорошая экспозиция или высокая интенсивность света является положительным фактором для накопления аскорбиновой кислоты, ликопина, Р-каротина и фенольных соединений в томатах (Gautier et al., 2008; Truffault et al., 2015). Например, сезонные изменения уровня витамина С были описаны в связи с изменениями интенсивности света и содержанием сахара, а плоды, собранные летом, содержат на 8-50% больше витамина С по сравнению с плодами, собранными ранней весной (Massot et al., 2010). Эксперименты по затенению плодов показали, что накопление AsA не ограничивается фотосинтезом листьев или сахарным субстратом, а сильно зависит от облученности самих плодов (Gautier et al., 2008; Massot et al., 2010). Более того, соотношение красного и дальнего света, которое увеличивается в четыре раза в тканях околоплодника во время созревания, стимулирует накопление ликопина. Это стимулированное красным светом накопление ликопина регулируется локализованными в плодах фитохромами и их фоторавновесием в ответ на изменения спектрального состава света, проникающего в околоплодник во время созревания (Alba et al., 2000).

Влияние засухи и высокой солености на накопление витаминов и вторичных метаболитов более сложное, и сообщается о противоречивых результатах (обзор Poiroux-Gonord et al., 2010; Ripoll et al., 2014). Это связано с тем, что факторы окружающей среды могут оказывать косвенное влияние на фотосинтез и выделение углерода (доступность предшественников) и/или прямое влияние на их биосинтез. Например, стресс от засухи может рассматриваться как негативный фактор для синтеза вторичных метаболитов, поскольку он ограничивает фотосинтез; но, с другой стороны, водный (или другой абиотический фактор) стресс может усугубить фотоокислительный стресс, тем самым обеспечивая положительный стимул для их синтеза, вероятно, с участием сигналов, передаваемых от листьев к плодам (Poiroux-Gonord et al., 2010). Высокая соленость оказывает глобальное положительное влияние на аскорбиновую кислоту, ликопин и p-каротин (Frary et al., 2010), с сильным взаимодействием между генотипом и средой (GxE) (Gautier et al., 2009), в то время как в отношении фенольных соединений отмечаются противоречивые реакции.

Истощение азота снижает накопление фенольных соединений наряду с небольшим увеличением концентрации аскорбиновой кислоты (Benard et al., 2009).

Экологический контроль текстуры плодов томатов в основном изучался в послеуборочный период, в то время как влияние факторов окружающей среды во время развития плодов освещалось реже (Sams, 1999; Rosales et al., 2009). В целом, упругость томатов (физический компонент текстуры) снижается летом, что эмпирически объясняется высокой температурой и высоким дефицитом давления пара. Что касается минерального питания, то высокий EC и высокое содержание магния (Mg) повышают упругость плодов в летний период, в то время как высокое содержание кальция (Ca) снижает упругость плодов (Hao и Papadopoulous, 2003). Последние авторы предположили, что высокий EC и высокий Mg могут увеличивать жесткость тканей плода, в то время как высокий Ca может увеличивать только пластичность тканей. Дефицит воды также вызывает значительные изменения в упругости плодов с контрастными эффектами (Ripoll et al., 2014). Умеренный дефицит воды снижает упругость, измеренную с помощью теста на сжатие, но повышает упругость, измеренную с помощью теста на прокол, что хорошо коррелирует с упругостью и хрусткостью, оцененными с помощью сенсорной оценки. Контрастные эффекты, о которых сообщается в литературе, вероятно, являются результатом различных методов оценки текстуры, различной интенсивности стресса, сильного взаимодействия GxE и сложных взаимодействий между многочисленными процессами, вовлеченными в конечную текстуру плодов.

В послеуборочный период в основном изучалось влияние температуры во время хранения и состава атмосферы на качество фруктов. В частности, низкие температуры, используемые розничными торговцами или потребителями для продления срока хранения фруктов, могут вызвать физиологические нарушения и потерю качества. Оптимальная температура хранения зависит от стадии сбора плодов, что связано с различным влиянием на ферментативную активность (обзор Passam et al., 2007).

Она также различается между сортами. Например, сорта с длительным или продленным сроком хранения могут не достичь полного красного цвета, если их собрать слишком рано (Cantwell, 2010). Хотя полностью созревшие томаты можно хранить при температуре 2-5°C в течение нескольких дней до потребления (не дольше, так как может произойти потеря цвета и размягчение), зрелые зеленые плоды или плоды на стадии разворачивания или разламывания не должны подвергаться температуре ниже 12°C, чтобы избежать повреждения от охлаждения и соответствующих симптомов, таких как резиновая текстура, водянистая мякоть и неравномерное созревание (рис.) (Stevens et al., 2008; Cantwell, 2010). Плоды, хранившиеся при 5°C, по результатам сенсорного анализа были оценены как значительно более низкие по аромату спелости (что объясняется потерей основных летучих компонентов), сладости и томатному вкусу, и значительно более высокие по кислинке, по сравнению с плодами, хранившимися при 20°C (Passam et al., 2007). Хотя низкие температуры во время хранения снижают содержание ликопина в плодах (в два раза меньше после 10 дней хранения при 7°C по сравнению с 15°C или 25°C) даже при сборе урожая на стадии зрелого красного цвета, они не обязательно снижают общую антиоксидантную способность, связанную с фенолами и аскорбатом в течение ограниченного периода времени (Passam et al., 2007).

Рекомендуемая температура для хранения плодов томатов. (Кантвелл, 2010.)

Генетический контроль качества плодов

Основные компоненты качества плодов томата, такие как размер, внешний вид, упругость и срок хранения, являются количественными признаками, которые имеют непрерывную вариацию в сегрегационных популяциях (Causse et al., 2002). За последние 50 лет они были сильно изменены селекцией, что привело к большому разнообразию размеров, формы и цвета. Например, одомашнивание увеличило размер плодов до 500 раз у культивируемых видов. Напротив, генетическое улучшение органолептических качеств или ценности для здоровья стало рассматриваться лишь недавно. Генетический контроль интересных признаков качества основывается либо на нескольких естественных мутациях с огромным эффектом, либо на накоплении многочисленных локусов количественных признаков (QTLs) и генов с небольшим индивидуальным эффектом. Мультигенный контроль большинства признаков качества плодов, совместное расположение QTLs/генов с противоположными эффектами, а также взаимодействие между QTLs/генами и с окружающей средой или культурной практикой сдерживают быстрое генетическое улучшение качества томатов (Causse et al., 2011). Например, антагонистическая связь между размером плода и вкусом представляет собой точку преткновения для селекционеров. В результате томаты черри имеют лучший вкус и более высокое содержание сахара и кислот, чем крупноплодные генотипы (Causse et al., 2011). Хотя на молекулярном уровне было выявлено очень мало QTL, в ближайшие годы ожидаются большие успехи в манипулировании компонентами томата благодаря углублению знаний о генах, лежащих в их основе, обнародованию последовательности генома томата и последним достижениям в области секвенирования и методов генотипирования, которые позволяют выявлять важные гены и локусы посредством анализа на основе однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), такого как картирование QTL и исследование ассоциации в масштабах генома (GWAS) (Zsogon et al., 2017). Уже разработано множество подходов генной инженерии для изменения экспрессии генов, контролирующих признаки качества, особенно в период созревания (например, для улучшения вкуса, соотношения сахара и кислоты, аромата и уровня каротиноидов в томатах) (Lewinsohn et al., 2001; Guo et al., 2012), однако использование генетических трансформаций в коммерческих целях строго регламентировано. С другой стороны, естественная генетическая изменчивость внутри или между видами томатов предлагает большой потенциал для создания новых улучшенных сортов (Lin et al., 2014). До настоящего времени большинство генетических исследований по выявлению QTL проводилось на популяциях, полученных в результате межвидового скрещивания диких видов и томатов для переработки. Было выявлено множество QTL для веса плодов, формы, содержания сахара и кислоты, упругости, летучих веществ и сенсорных признаков (обзор сделан в Labate et al., 2007, и в Causse et al., 2011). Интродукция пяти основных регионов, несущих QTLs качества, была успешно осуществлена (Lecomte et al., 2004), и качество плодов может быть улучшено с помощью благоприятных эффектов, обеспечиваемых томатом черри (Causse et al., 2002). Тем не менее, необходимо учитывать взаимодействие между генами или QTLs и условиями окружающей среды (Albert et al., 2015). Основные мутации и гены для улучшения качества плодов томата были описаны Causse et al. (2011).

Размер и форма плода

Было обнаружено множество QTLs массы плода. Шесть из них объясняют более 20% фенотипической дисперсии (Grandillo et al., 1999), среди которых fw2.2 контролирует 30% вариаций размера плода и участвует в контроле деления клеток в предантезисный период. Среди 13 QTL, которые способствовали увеличению массы плода в процессе улучшения современных сортов томата, пять расположены на дистальном конце длинного плеча хромосомы 2 (fw2.2, lcn2.1, fw2.1, fw2. 3 и lcn2.2), тогда как пять других, связанных с массой плода (fw1.1, fw5.2, fw7.2, fw12.1 и lcn12.1), вероятно, способствовали увеличению плодов томата в процессе одомашнивания диких видов (Lin et al., 2014).

Три основных QTL для формы плода были идентифицированы на хромосомах 2, 7 и 8; и два основных QTL для числа локулов, фасциированный (fas) и число локулов (lc или lcn2.1), расположены на хромосомах 11 и 2, соответственно. Другие QTL, такие как OVATE и SUN, изменяют форму плода более конкретно, поскольку они отвечают за удлиненную форму плода (обзор сделан в Causse et al., 2011).

Текстура плодов

В нескольких популяциях было зарегистрировано 46 QTLs, контролирующих текстуру плодов, оцениваемую на ощупь (30 QTLs), при механическом измерении (11 QTLs) и при сенсорной оценке (пять QTLs), с несколькими основными кластерами на хромосомах 1, 2, 4, 5, 9, 10 и 11 (Causse et al., 2002; Labate et al., 2007). На молекулярном уровне большинство исследований текстуры сосредоточено на механизмах, которые приводят к размягчению плодов во время созревания, и на характеристике мутантов, пораженных генами, связанными с созреванием, например, геном ингибитора созревания (rin), геном недозревания (nor), геном замедленной порчи плодов (DFD) или геном бесцветного недозревания (Cnr) (Seymour et al., 2002; Giovannoni, 2004; Saladie et al., 2007). На хромосомах 2, 5 и 10 QTL упругости ко-локализованы с генами rin, nor и Cnr. Интересно, что расхождение между твердыми томатами для переработки и мягкими свежими томатами находится в SNPs, расположенных на хромосоме 5 в регионе, где был обнаружен основной QTL для упругости (Lin et al., 2014). Тем не менее, ключевые детерминанты текстуры плодов не были четко идентифицированы из-за большого количества вовлеченных процессов, включая процессы, не связанные с разрыхлением клеточной стенки (Saladie et al., 2007; Aurand et al., 2012).

Состав плодов по содержанию сахара и кислот

Увеличение содержания сахара в плодах является одной из основных целей селекционных программ, направленных на улучшение органолептических качеств. Это особенно актуально для томата, поскольку одомашнивание привело к потере вкуса, несмотря на многочисленные литературные данные и знания о физиологических и генетических факторах, контролирующих основные этапы метаболизма сахара и кислоты в томате (Beckles et al., 2012; Etienne et al., 2013). Количество регионов, несущих QTLs для содержания сахара и кислоты, полученных в различных популяциях, очень велико (Labate et al., 2007), вероятно, из-за большого количества вовлеченных процессов и сильных G*E взаимодействий (Prudent et al., 2009; Albert et al., 2016). Например, среди 56 регионов (95 QTLs), несущих QTLs для содержания сахара (или Брикса), около 28 регионов были обнаружены в нескольких популяциях (дикий аллель в основном увеличивает признак) (Labate et al., 2007). Лишь несколько регионов являются общими для сахаров и кислот (Sauvage et al., 2014), в то время как между сахарами и массой плода обнаружены частые сцепления с противоположными аллельными эффектами (Grandillo et al., 1999; Prudent et al., 2009). На молекулярном уровне было выявлено большое количество (более 60) генов-кандидатов, участвующих в метаболизме углерода (Causse et al., 2011). Среди них несколько генов, кодирующих основные ферменты метаболизма сахара, влияют на конечное содержание сахара в плодах. Например, Lin5, кодирующий апопластическую инвертазу, участвует в контроле общего содержания растворимых сахаров благодаря повышенной способности поглощать сахарозу, выгружаемую флоэмой (Baxter et al., 2005), и объясняет QTL для растворимых соединений на хромосоме 9 (Sauvage et al., 2014). На хромосоме 10 QTL, контролирующий содержание фруктозы, содержит два гена инвертазы клеточной стенки Lin6 и Lin8 (Albert et al., 2016). Аналогично, AgpL1, AgpL2, AgpL3 и AgpS1 регулируют активность AGPase и синтез крахмала на стадии расширения плода, который представляет собой резервуар, способствующий более высокому содержанию растворимого сахара на стадии созревания (Causse et al., 2011).

Состав плодов по содержанию полезных для здоровья фитохимических веществ

Метаболическая инженерия растений для получения новых соединений или улучшения производства существующих соединений возможна путем сверхэкспрессии одного или нескольких специфических генов, кодирующих ферменты, которые контролируют ключевые этапы известных биосинтетических путей.

Несколько QTLs для аскорбиновой кислоты в плодах были идентифицированы в различных популяциях с диапазоном фенотипической вариации от 6 до 50 мг/100 г живого веса (Stevens et al., 2007; Ruggieri et al., 2014). Концентрация аскорбиновой кислоты в клетках зависит от ее биосинтеза, утилизации и деградации. Таким образом, эффективные способы манипулирования содержанием аскорбиновой кислоты могут быть достигнуты через регуляторные гены синтеза или через повышение регуляции утилизации. Два основных гена, оба на хромосоме 9, ко-локализованы с QTL для аскорбиновой кислоты в плодах: MDHAR (монодегидроаскорбат редуктаза), участвующий в рециклинге, и GME (GDP-манноза эпимераза), участвующий в синтезе аскорбиновой кислоты (Stevens et al., 2007, 2008; Sauvage et al., 2014).

Было выявлено несколько мутантов различных генов пути биосинтеза каротиноидов (обзор сделан в Liu et al., 2003). Например, мутант yellow-flesh (r) соответствует потере гена фитоен-синтазы, что приводит к отсутствию ликопина. Другой единственный доминантный ген, Del, кодирующий ликопиновую е-циклазу, изменяет цвет плодов на оранжевый у мутанта томата Delta в результате накопления 8-каротина за счет ликопина (Ronen et al., 1999). Аналогичным образом, мутация Beta (B) является частично доминантной, однолокусной мутацией, которая вызывает оранжевый цвет полностью созревших плодов вследствие накопления р-каротина за счет ликопина. У дикого типа Р-каротин составляет 5-10% от общего количества каротиноидов плода, тогда как у Бета он составляет 45-50% и может превышать 90% (Ronen et al., 2000). Существование генов r, B и Del у диких видов томата предполагает гипотетический сценарий эволюции цвета плодов у томата (Ronen et al., 2000). Другие гены вовлечены в содержание каротиноидов и других антиоксидантов. Например, мутант high pigment (hp), светосигнальный ген, не участвующий в пути биосинтеза каротиноидов, также влияет на содержание каротиноидов, флавоноидов, аскорбиновой кислоты и сахарозы в листьях и плодах (обзор в Poiroux-Gonord et al., 2013, и в Causse et al., 2011). Однако только несколько генов-кандидатов, участвующих в пути биосинтеза каротиноидов, совпадают с цветовыми QTL, что указывает на сложную регуляцию (Causse et al., 2003; Liu et al., 2003).

Что касается формирования аромата, сложность многочисленных биосинтетических путей, способствующих образованию летучих веществ, отпугивает селекционеров томатов, и существует относительно мало примеров генетического улучшения, повышающего профиль или количество летучих веществ в плодах томатов (Lewinsohn et al., 2001; Tieman et al., 2012). Однако несколько недавних исследований выявили важные локусы, контролирующие аромат у томата. Тридцать QTL, распределенных по всему геному (кроме хромосом 8 и 9) и влияющих на 24 различных летучих соединения, были картированы в популяции линий интрогрессии, полученных от скрещивания культурного томата Solanum lycopersicum и его дикого родственника Solanum habrochaites (Mathieu et al., 2009). В популяции интрогрессионной линии (IL) Solanum pennellii было выявлено 25 локусов, которые значительно изменяют один или несколько из 23 различных летучих веществ (Tieman et al., 2006). Совсем недавно анализ GWAS по 28 основным летучим веществам выявил значительные ассоциации на хромосомах 2 и 4, где ранее были идентифицированы QTL (Zhang et al., 2015). Гены, регулирующие выход путей синтеза летучих веществ и связанные с ароматическими летучими веществами у томата, были рассмотрены Klee и Tieman (2013). Более того, в популяциях Heirloom томата (Таблица) было отмечено большое природное разнообразие в составе летучих веществ, которое может быть использовано с помощью молекулярных методов селекции (Tieman et al., 2012).

Табилца. Наблюдаемые вариации вкусовых летучих веществ в сортах S. Lycopersicum Heirloom

нг/г свежей массы в час
Наибольшее
Наименьшее
Разница в долях
Медиана
1-пентен-3-он
9,37
0,17
55
1,18
Изовалеронитрил
68,45
0,58
117
7,63
транс-2-пентеналь
5,16
0,31
17
1,23
транс-2-гептеналь
2,71
0,09
30
0,42
Изовалеральдегид
51,08
1,55
33
8,59
3-метил-1-бутанол
184,46
3,2
58
27,26
Метиональ
1,616
0,012
137
0,07
Изовалериановая кислота
0,953
0,004
262
0,09
2-изобултиазоль
63,61
0,37
174
8,34
6-метил-5-гептен-2-он
20,07
0,17
120
3,38
β-ионон
0,396
0,008
47
0,05
фенилацетальдегид
1,9
0
654
0,24
геранилацетон
28,96
0,03
1095
1,22
2-фенилэтанол
5,269
0,002
3142
0,05
изобутилацетат
11,93
0,14
85
1,67
цис-3-гексен-1-ол
124,15
10
12
40
1-нитро-2-фенилэтан
2,59
0,02
149
0,25
транс, транс-2-4-декадиеналь
0,3
0
211
0,02
2-метилбутаналь
14,66
1,14
13
3,47
Гексиловый спирт
84,03
0,99
85
13,86
Гваякол
8,09
0,03
290
0,77
Гексаналь
381,05
15,55
25
88,65
1-октен-3-он
0,312
0,017
18
0,07
цис-3-гексеналь
399,66
8,29
48
71,09
Метилсалицилат
14,16
0
3354
0,4
транс-2-гексеналь
48,01
0,39
123
3,54
β-дамасценон
0,1733
0,002
86
0,01
2-метил-1-бутанол
115,69
1,93
60
15,08

Физиологические нарушения плодов

Ряд заболеваний влияет на качество свежих плодов томатов и снижает товарный урожай. Эти нарушения возникают в результате сочетания экологических факторов, производственных или погрузочно-разгрузочных процедур или имеют генетическое происхождение.

Гниль кончика цветка

Это заболевание (BER) связано с локальным дефицитом кальция в дистальных тканях плода, возникающим в результате дисбаланса между доставкой/транспортом кальция и потребностью в нем для роста, особенно в период быстрого разрастания плода, который является наиболее чувствительным периодом (Ho and White, 2005). Симптомы появляются сначала во внутренней части плода, а затем распространяются на внешние ткани. На цветоносе зеленого плода появляется пропитанная водой область возле цветочного рубца. Эта область высыхает, становится коричневой в результате гибели клеток, и происходит последующая утечка содержимого клеток во внеклеточное пространство. Высокая температура, свет, дефицит давления пара (т.е. низкая влажность) и соленость, нерегулярный полив, энергичность растений, высокое содержание азотных удобрений и подрезка корней являются благоприятными факторами. Чувствительность зависит от генотипа. Например, крупноплодные или сливовые томаты гораздо более чувствительны, чем черри или дикие томаты. Случаи заболевания концевой гнилью цветков значительно возрастают, когда концентрация кальция в плодах падает ниже 0,08% (сухой вес), в то время как при уровне выше 0,12% заболевание возникает редко, и для профилактики BER рекомендуется опрыскивание Ca непосредственно на молодые плоды (Ho and White, 2005).

Гниль кончика томата
Гниль кончика томата

Растрескивание и крапчатость

Растрескивание происходит, когда внутреннее расширение происходит быстрее, чем расширение эпидермиса, и поэтому эпидермис растрескивается. Концентрические трещины могут развиваться вокруг конца плодоножки плода, и/или могут развиваться радиальные трещины, которые простираются от плодоножки до конца цветка. Растрескивание может происходить на всех стадиях роста плодов, но по мере созревания плоды становятся более восприимчивыми, особенно по мере развития цвета. Быстрый приток воды и растворителей, снижение прочности и эластичности кожицы томата и стенок околоплодника способствуют появлению и серьезности растрескивания. Это заболевание не только некрасиво, но и разрывы в эпидермисе увеличивают потерю воды и проникновение патогенов. Растрескивание можно свести к минимуму путем равномерного распределения воды во избежание периодов водного стресса, адекватного кальциевого питания и выбора сортов, устойчивых к растрескиванию. Растрескивание и расслоение — это наследственные тенденции, и сорта сильно различаются по восприимчивости. Развитие многочисленных очень мелких трещин — это еще одно заболевание, известное как крапчатость или микротрещины. В отличие от растрескивания, когда трещины простираются на несколько миллиметров вглубь околоплодника, крапчатость — это развитие многочисленных мелких трещин на кожице томата. Микробная инфекция не представляет значительной проблемы, но потеря воды увеличивается, а внешний вид ухудшается (рассмотрено в Dorais et al., 2004).

Растрескивание и крапчатость томата
Растрескивание и крапчатость томата

Пятнистое созревание

Пятнистое созревание приводит к неравномерному созреванию с твердыми серыми или желтыми пятнами, обычно около чашечки плода, сохраняющими хлорофилл и не накапливающими достаточное количество ликопина для получения нормального красного плода. Пятнистые участки содержат меньше азотистых соединений, органических кислот, крахмала, сахаров и сухого вещества (Yahia and Brecht, 2012). Особенно восприимчивы ранние и среднеспелые тепличные культуры. Причина этого физиологического расстройства и его связь с «серой стеной» не вполне понятна. Неправильное питание растений (например, дефицит калия и/или бора и высокий уровень азота, способствующий чрезмерному росту), поедание насекомыми и экологические стрессы (например, охлаждение, температура выше 30°C, низкая интенсивность освещения или высокая влажность почвы) могут способствовать возникновению этого заболевания (Yahia and Brecht, 2012).

Пятнистое созревание томата
Пятнистое созревание томата

"Кошачья морда"

«Кошачья морда» — это общий термин, используемый для описания плодов томата, имеющих грубую деформацию. В этом случае из-за дифференциального роста различных локусов плоды приобретают извилистую форму в отличие от гладкой формы большинства плодов. Симптомы кошачьей пятнистости также включают пробковые коричневые рубцы, трещины и неравномерное созревание. Крупноплодные томаты с большим количеством локул (более пяти) более подвержены этой проблеме, чем мелкоплодные сорта. Критическое развитие цветка или опыление могут быть причиной этой проблемы. Более того, низкая температура и интенсивность света во время цветения и плодоношения могут усугубить появление катфейсинга (CTIFL, 2011; Yahia and Brecht, 2012).

"Кошачья морда" томата

Пустотность

Плоды с пустотами — это плоские или угловатые плоды, в которых одна или несколько семенных полостей (т.е. локулы) частично или полностью лишены тканей. Пухлость также известна как коробчатость или пустотелость. Легкую пухлость невозможно обнаружить, пока плод не разрежут и не увидят открытые полости между семенным гелем и внешней стенкой. Пухлые плоды менее плотные, чем хорошие, и поэтому их можно разделить путем флотации в воде. Условия выращивания (слишком низкие или слишком высокие температуры, высокий уровень азота, низкий уровень света), которые вызывают неправильное опыление, оплодотворение или развитие семян, а также генотип способствуют возникновению этого заболевания. Чаще поражаются дистальные плоды соцветия (CTIFL, 2011; Yahia and Brecht, 2012).

Пустотность томата
Пустотность томата

Золотистая пятнистость

Золотистая пятнистость, или золотистая крапчатость томата, описывается как желтые или белые пятна, распределенные по всей поверхности плода, и особенно вблизи чашечки и плеча плода. Их количество может варьироваться от нескольких до многих. Пятна появляются как небольшие зеленые пятна неправильной формы на поверхности незрелых плодов и становятся золотистыми по мере созревания плодов. Золотистая пятнистость возникает из-за кристаллов оксалата кальция, образующихся в результате избытка кальция. Заболевание зависит от генетических и экологических факторов. Слива, Рома и салатные томаты более восприимчивы, чем круглые томаты. Обилие золотистой пятнистости увеличивается при высокой влажности и высоком содержании Ca в удобрениях (CTIFL, 2011; Yahia and Brecht, 2012).

Золотистая пятнистость томата
Золотистая пятнистость томата

Зеленое плечико

В этом случае плечики созревающего плода возле чашечки остаются зелеными из-за высокого содержания хлорофилла, в то время как остальная часть плода становится красной. Хотя в целом это состояние нежелательно, в некоторых странах потребители предпочитают именно его. Внедрение гена «равномерного созревания» может устранить это нарушение у восприимчивых сортов. Предрасполагающими факторами являются чрезмерная жара, высокая соленость и недостаточное количество калийных и фосфорных удобрений (CTIFL, 2011; Yahia and Brecht, 2012).

Зеленая спинка или зеленое плечико томата
Зеленая спинка или зеленое плечико томата

Солнечный ожог

Солнечный ожог может быть описан как желтая, твердая область, обычно на плече плода, которая возникает, когда температура тканей поднимается выше 30°C и препятствует синтезу красных пигментов и размягчению мякоти. Температура плодов выше 40°C является смертельной, и пораженные ткани отмирают, белеют, высыхают и образуют плоский пергаментоподобный покров на пораженном участке. Зеленые плоды более чувствительны к солнечным повреждениям, чем спелые. Повреждения обычно возникают, когда плоды внезапно подвергаются воздействию солнечного света, например, после чрезмерной обрезки листьев. Действительно, прямой солнечный свет может повысить температуру открытых тканей плода на 10°C или более выше температуры окружающего воздуха. Строение растений, затеняющая плоды во время роста, и крышки бункеров, затеняющие собранные плоды во время транспортировки на упаковочные предприятия, являются наиболее эффективными способами снижения солнечного ожога (CTIFL, 2011; Yahia and Brecht, 2012).

Солнечный ожог или солнечный удар томата
Солнечный ожог или солнечный удар томата

Серебристость

Серебристость томата представлена серебристо-зелеными полосами, которые становятся желтыми по мере созревания плодов. Они возникают из-за аномального развития тканей, но истинные причины неизвестны. Симптомы чаще проявляются на ранних посевах с коротким дневным периодом или в случае теплового шока (низкой температуры) (CTIFL, 2011).

Серебристость томата
Серебристость томата

Оптимизация качества плодов с помощью модельного подхода

Все основные признаки качества являются результатом сложных взаимодействий и контуров регулирования многочисленных процессов, регулируемых на уровне растений и плодов. Эти процессы контролируются взаимодействием генетических, экологических и управленческих факторов (GxExM), и качества данного генотипа в контрастных условиях среды трудно предсказуемы. Сообщалось о значительных вариациях всех количественных признаков качества в ответ на взаимодействие GxExM (Causse et al., 2003; Bertin et al., 2009; Prudent et al., 2009).

Эксперимент на нескольких участках, включающий 42 генотипа томатов, выявил изменение производительности некоторых генотипов в определенном месте на 211%. Было установлено, что наибольшее влияние окружающая среда оказывает на ликопин, тогда как общая кислотность — наименьшее (Panthee et al., 2012). Селекционерам и производителям трудно справляться с такими взаимодействиями, поэтому для выведения сортов, которые будут стабильно хорошо работать в разных условиях, необходимо проводить многосайтовые испытания. Однако изучение всех комбинаций GxExM путем экспериментов — это бесконечная задача. Альтернативный подход основан на разработке имитационных моделей на основе процессов (PBSM) (Bertin et al., 2010; Kromdijk et al., 2014; Bertin and Genard, 2018). Действительно, PBSM позволяют раскрыть сложные признаки, такие как качество, путем моделирования взаимодействия между различными компонентами или процессами, лежащими в основе интересующего признака. Более того, взаимодействия GxExM являются эмерджентными свойствами имитационных моделей, то есть неожиданными свойствами, порожденными сложными взаимосвязями между компонентами подсистем и биологическими процессами. С этой точки зрения были разработаны подходы к моделированию снизу вверх (основанные на механистических знаниях о глубинных процессах), сверху вниз (статистическая регрессия для установления связей между данными и фенотипом) или посередине (комбинация снизу вверх и сверху вниз) (Genard et al., 2007; Yin and Struik, 2010). В этих моделях так называемые компонентные признаки характеризуются в терминах параметров модели, которые вместо самого сложного признака могут быть впоследствии связаны с лежащими в основе генетическими вариациями.

Было разработано несколько прогностических моделей процессов, связанных с качеством плодов (Martre et al., 2011). Что касается роста томатов, мы можем сообщить о модели деления клеток и эндоредупликации (Bertin et al., 2007) и модели расширения клеток, связанной с потоками углерода и воды (Liu et al., 2007). Что касается состава плодов, то для персика были разработаны редкие модели метаболизма сахара и кислоты (Genard et al., 2003; Lobit et al., 2003, 2006). Эти модели могут быть легко перенесены на томат с учетом зависящего от вида контроля метаболизма сахара и кислоты. В настоящее время доступно несколько PBSM, которые предсказывают качество плодов в зависимости от окружающей среды или управления культурой. Следующими важными шагами для прогресса в этой области будут:

  1. интеграция субмоделей для рассмотрения сложных взаимодействий и обратных связей на различных организационных уровнях;
  2. охват генетического и молекулярного контроля моделируемых процессов.

Существующие модели плодов были разработаны либо на уровне клетки, либо на уровне органа (модель одной большой клетки) (Genard et al., 2007). На самом деле, клеточный уровень, вероятно, станет начальным уровнем для механистического моделирования плодов, что в дальнейшем позволит связать модель плода с клеточными моделями, описывающими сложные метаболические пути и молекулярные регуляторные сети. Поэтому моделирование того, как происходит совместное деление и расширение клеток, имеет решающее значение для понимания возникновения конкретных морфологических признаков (Baldazzi et al., 2012). Недавно были предложены модели, объединяющие деление клеток, их расширение и эндоредупликацию ДНК в плодах томата (Fanwoua et al., 2013; Baldazzi et al., 2017). На более высоком уровне интеграции виртуальная модель томата была подключена к модели растения, описывающей потоки воды и углерода в архитектуре растения, а также индуцированные градиенты водного потенциала и концентрации сока флоэмы в углероде внутри растения (Baldazzi et al., 2013). Такие интегрированные модели, сосредоточенные на плоде, открывают новые перспективы для интеграции информации о молекулярном контроле клеточных процессов плода в модель плода и для анализа влияния взаимодействий GxExM на качество плода. Тем не менее, прогнозирование других признаков качества, включая накопление полезных соединений, таких как витамины и каротиноиды, все еще требует определенных разработок.

Учет генетического контроля в моделях растений и плодов все еще далек от удовлетворительного, несмотря на перспективные подходы (Bertin et al., 2010). Параметры модели рассматриваются либо как общие параметры, когда они не варьируют между генотипами, либо как генотипические параметры (также называемые генетическими коэффициентами), когда они зависят от генотипа. Каждый набор комбинаций генов или аллелей представлен набором параметров, и фенотип может быть смоделирован in silico при различных условиях окружающей среды и управления. Это подразумевает, что параметры модели обычно специфичны для одного генотипа, что ограничивает диапазон достоверности самой модели. Чтобы преодолеть это ограничение, значения генотипических параметров должны быть предсказаны в зависимости от комбинаций QTL (модели на основе QTL), аллелей или генов (модели на основе генов), участвующих в моделируемом процессе. До сих пор только некоторые генотипические параметры (т.е. аллельные варианты) были выгодно введены в имитационные модели. Что касается качества плодов, были предложены QTL-модель качества персика (Quilot et al., 2005) и модель состава сахара томатов (Prudent et al., 2011). Подход, основанный на модели, имеет явные преимущества перед традиционным картированием QTL, поскольку обычно выявляется больше QTL, которые, как правило, более стабильны и важность которых может быть ранжирована в различных условиях. Однако его более широкому внедрению препятствует недостаток генетической информации о признаках и процессах, моделируемых моделями, а также низкая степень функциональности текущих PBSM, которые должны быть доработаны с целью связывания параметров модели и физиологических компонентов. Важным вопросом моделирования взаимодействий GxExM является конструирование идеотипов или комбинаций QTL/генов для оптимизации роста и качества плодов в конкретных условиях с помощью методов многокритериальной оптимизации (Quilot-Turion et al., 2012; Genard et al., 2016; Constantinescu et al., 2016), добавляя генетические ограничения для учета плейотропных и сцепленных эффектов (Quilot-Turion et al., 2016).

Литература

Tomatoes, 2nd Ed. by Ep Heuvelink. Wageningen University & Research. The Netherlands. 2018.