Генетика и селекция тыквенных культур

[toc]

Генетическое разнообразие сельскохозяйственных культур означает адаптацию к различным средам и условиям выращивания. Определенные генотипы изначально обладают способностью противостоять засухе и бедной почве, сопротивляться насекомым-вредителям или давать более высокий урожай белка. Генетическое разнообразие важно в садоводстве для выведения растений с характеристиками, соответствующими экологическим условиям, потребностям в питании и другим видам использования фермерами, а также для придания хотя бы частичной устойчивости к насекомым и болезням. В экологической нише, в которой произрастает культура, существует симбиотическая ассоциация. Разнообразие играет важную роль в круговороте питательных веществ, контроле популяции насекомых и предотвращении болезней растений.

Сохранение генетических ресурсов растений имеет решающее значение для постоянного наличия и улучшения сельскохозяйственных культур. Широкая вариация в зародышевых пластах тыквенных культур заметна в отношении цвета семян, роста в засушливых и/или возвышенных районах, климатических эффектов и требовательных признаков плодов или растений в зависимости от региона. Сотни таких генотипов существуют, но находятся под угрозой исчезновения. Эти разнообразные типы развивались на протяжении многих лет, чтобы соответствовать различным экологическим условиям.

Способы размножения растений

Ручное опыление

Крупные однополые цветки и липкая пыльца облегчают ручное опыление в экспериментах по разведению тыквенных культур. У кабачка мужские и женские цветки, которые будут использоваться на следующее утро, выбираются накануне. Закрытый венчик соответствующего цветка кабачкабудет иметь легкий желтый оттенок на верхушке. Кончики венчика тычиночного цветка могут быть слегка разделены (рис.). Верхушки выбранных цветков заклеиваются лентой, завязываются или накрываются, чтобы предотвратить проникновение опылителей. На следующее утро тычиночный цветок снимают и раскрывают, а дегисированную пыльцу растирают на рыльце предварительно связанного женского цветка. После опыления женский цветок убирается в мешок или венчик снова завязывается, чтобы предотвратить загрязнение опылителями, а развивающийся плод помечается.

Поперечный срез женских и мужских цветков Cucurbita pepo: (слева) зимняя тыква Спагетти и (справа) летняя тыква Патти Пан за день до начала цветения, в это время венчики завязываются, чтобы исключить попадание насекомых в цветки, которые будут опыляться вручную.
Поперечный срез женских и мужских цветков Cucurbita pepo: (слева) зимняя тыква Спагетти и (справа) летняя тыква Патти Пан за день до начала цветения, в это время венчики завязываются, чтобы исключить попадание насекомых в цветки, которые будут опыляться вручную.

Поскольку пыльца кабачка плохо хранится, при его разведении обычно используют свежую пыльцу. Однако можно использовать пыльцу из предзародышевых цветков, которые хранятся в течение нескольких дней при низкой температуре и высокой влажности (Робинсон, 2010-2011). Кроме того, пестичные цветки можно опылять за 1 день до завязи. Огурец можно опылять через 24 часа после раскрытия цветка, особенно если опыление проводится в теплице или камере роста и если температура ниже 30 °C.

Перекрестное опыление андромоноэцичных дынь и арбузов вручную сложнее, чем моноэцичных сортов, так как пыльники необходимо вырывать вручную из каждого совершенного цветка. Пыльники совершенных цветков обычно удаляют во второй половине дня перед началом антезиса. После этого эмаскулированный цветок закрывают, чтобы предотвратить опыление насекомыми. Как и в случае с кабачком, мужские цветки дыни либо закрывают перед началом цветения, либо собирают и хранят в помещении в течение ночи при высокой влажности. Перенос пыльцы с этих цветков происходит на следующее утро.

Культура тканей

Культура тканей используется у тыквенных культур для спасения эмбрионов, размножения, эмбриогенеза и органогенеза. Успех в получении межвидовых проростков с помощью культуры эмбрионов был достигнут у Cucurbita (C. pepo x C. moschata, C. pepo x C. ecuadorensis) и Cucumis (C. metuliferus x C. zeyheri Sond.). Другие скрещивания, например, африканской рогатой дыни и арбуза, были затруднены. До сих пор нет сообщений об успешном использовании слияния протопластов для создания межвидовых гибридов огурцов.

Сорта внутри одной тыквенной культуры часто различаются по способности к регенерации с помощью культуры тканей. Эмбрионы были получены из различных растительных тканей (например, каллус листьев, экспланты гипокотиля, каллус, полученный из протопластов), но их развитие в растения было спорадическим. Котиледоны и гипокотиль оказались лучшими эксплантными тканями для органогенеза, но также использовались листья, плоды и эмбрионы.

При производстве трансгенных дынных растений Гонсалвес и др. (1994) культивировали развивающиеся ткани на среде Мурашиге и Скоуга в соответствии со стадией развития растения (т.е. на стадиях регенерации, удлинения побега и укоренения). Они также провели эксперименты по регенерации, в ходе которых обнаружили, что проксимальные экспланты дают больший процент регенерированных побегов, чем дистальные образцы ткани, причем большинство побегов возникает с проксимальной стороны квадратно вырезанного кусочка котиледона.

Достижение целей селекции

Прогресс в селекции тыквенных культур был достигнут благодаря использованию многомерного статистического анализа (например, для повышения эффективности отбора), исследованиям по картированию генов и сцеплению, индукции мутаций с помощью химических веществ и гамма-излучения, отбору с помощью маркеров, использованию расширенного скрещивания внутри видов и переноса генов между видами, а также сбору и скринингу зародышевой плазмы в генных банках по желательным характеристикам.

Хотя генная инженерия и беккроссинг обычно сосредоточены на отдельных аллелях, все больше внимания уделяется отбору по нескольким генам для получения отдельных или нескольких характеристик. Например, в Саудовской Аравии сорта дыни ‘Najd I’ и ‘Najd II’ были выведены для устойчивости к высокой температуре и засолению. В некоторых случаях, когда была обнаружена множественная устойчивость к насекомым, можно вывести селекцию на устойчивость к нескольким насекомым от одного скрещивания. Например, кабачок ‘Butternut’ (Cucurbita moschata) устойчив к кабачковому виноградарю, огуречным жукам, огурцовому червю, дынному червю и листоеду. Жуки предпочитают Cucurbita pepo и C. maxima, но если этих видов нет, то они будут питаться C. moschata. Источники комбинированной устойчивости к насекомым и болезням также известны для огурца и дыни. Часто количественная устойчивость к болезни обеспечивает более низкий уровень устойчивости, но устойчивость к нескольким изолятам патогена. Генетически модифицированные сорта кабачка, устойчивые к вирусам, были объединены с традиционно выведенной устойчивостью к мучнистой росе, а также к фузариозному увяданию дыни (Quemada and Groff, 1995).

Отбор по многим морфологическим характеристикам является стандартной практикой в селекции растений. Потомство визуально проверяется на наличие желаемого признака, и дальнейшая селекция ведется в соответствии с поставленными целями. Изучение менделевской генетики в семьях может помочь выявить взаимосвязи (например, доминантные, со-доминантные, рецессивные, комплементарные) между аллелями в нескольких локусах.

Хотя биохимические качества можно оценить с помощью лабораторного оборудования и анализа (например, используя рефрактометр для отбора на высокое содержание сахара в плодах), связь или плейотропия для морфологических признаков также используется для селекции на эти признаки. Например, селекция на содержание каротинов в мякоти плодов первоначально основывалась на цвете плодов, т.е. предполагалось, что плоды с оранжевой мякотью имеют более высокую концентрацию этих органических соединений. Однако последующие исследования кабачка (C. pepo) показали, что цвет плодов контролируется сложным взаимодействием аллелей нескольких генов, и хотя общее содержание каротиноидов зависит от этих генов, существуют дополнительные гены, влияющие на процентное содержание каротинов в общем содержании каротиноидов (Paris, 1994). Кроме того, основной аллель (B) для высокого содержания каротиноидов имеет различные плейотропные и не всегда благоприятные эффекты на плоды и листву. Прямой отбор на высокое содержание каротина оказался более эффективным. Ген B не является фактором у C. maxima и C. moschata, и отбор на высокое содержание каротиноидов, а иногда и конкретно на каротин, был более успешным у этих видов.

Сцепление генов, а также плейотропия являются проблемой при селекции однояйцевых дынь. Использование моноэцильных дынь в производстве семян гибридов F1 желательно, поскольку эмаскуляция женского родителя легче происходит с пестичными цветками моноэцильных инбредных линий, чем с идеальными цветками андромо-ноэцильных инбредных линий. Однако отбор на моноэцию был ограничен ее генетической связью с удлиненной формой плода. Удлиненная форма является доминантной, и гибриды F1 с моноэцильным родителем обычно имеют нежелательно длинные плоды. Другие гены могут влиять на форму дынь с моноэцильным геном, и Х.М. Мунгер из Корнельского университета успешно вывел моноэцильные сорта с почти круглыми плодами.

Многие задачи в селекции огурцов включают улучшение признаков со сложным наследованием. Скороспелость, урожайность, адаптация к определенным условиям окружающей среды и качество плодов являются количественными признаками. Следовательно, большие популяции, эффективные схемы экспериментов и многомерные анализы полезны для оценки селекционного материала для будущих отборов. Для улучшения количественных признаков огурцов использовались рекуррентная селекция и племенной отбор. Обратное скрещивание использовалось, в частности, для улучшения половой экспрессии и устойчивости к болезням (Munger et al., 1993).

Исследования огурца, дыни, арбуза и кабачка (Whitaker and Davis, 1962; Wehner, 1999) показывают, что в целом инбридинговая депрессия практически отсутствует, но существует гетерозис по некоторым морфологическим признакам. Для получения популяций F1 с более благоприятными характеристиками все чаще используются более широкие скрещивания.

В любом случае, гибриды полезны по следующим причинам:

  1. Гибриды позволяют защитить родительские инбриды законами о коммерческой тайне, хотя женская линия все еще может иногда появляться в гибридной популяции. Компании могут искать дополнительную защиту с помощью прав интеллектуальной собственности (полезный патент, защита сорта растений, права селекционера).
  2. Можно быстро получить гибриды с интересными комбинациями родительских признаков, например, промежуточной длиной плода от скрещивания длинноплодного с короткоплодным инбредным.
  3. Гибриды объединяют доминантные аллели женского родителя с доминантными аллелями мужского родителя для получения сорта, у которого все аллели выражены вместе.
  4. Гибриды могут сочетать цитоплазматические признаки, такие как устойчивость к холоду, от женского инбредного растения с доминантными аллелями, такими как устойчивость к холоду, от мужского инбредного растения для получения более устойчивого потомства.
  5. Бессемянные гибриды могут быть получены из определенных межвидовых комбинаций или, в случае арбуза, бессемянные триплоидные гибриды могут быть получены путем скрещивания тетраплоидных и диплоидных родителей.

Межвидовая гибридизация

Огюстен Сагарет и Шарль Науден пытались скрестить дыню с огурцом в середине 19 века, но безуспешно. Все более поздние исследователи, пытавшиеся скрестить эти отдаленно родственные виды, также потерпели неудачу, однако были получены межвидовые гибриды других видов Cucumis, а также Cucurbita (рис.), Citrullus, Luffa, Momordica, Trichosanthes и других родов огурцов.

Многоугольник скрещиваемости видов Cucumis. Стрелки указывают в направлении женского родителя. Умеренно или сильно самоплодные и перекрестноплодные гибриды (толстая сплошная линия); слабо самоплодные и умеренно перекрестноплодные гибриды (тонкая сплошная линия); самостерильные, обычно не перекрестноплодные гибриды (штрихпунктирная линия); нежизнеспособные семена или проростки (пунктирная линия). Отсутствие линии означает, что семенные плоды не были получены. (Nijs and Visser, 1985)
Многоугольник скрещиваемости видов Cucumis. Стрелки указывают в направлении женского родителя. Умеренно или сильно самоплодные и перекрестноплодные гибриды (толстая сплошная линия); слабо самоплодные и умеренно перекрестноплодные гибриды (тонкая сплошная линия); самостерильные, обычно не перекрестноплодные гибриды (штрихпунктирная линия); нежизнеспособные семена или проростки (пунктирная линия). Отсутствие линии означает, что семенные плоды не были получены. (Nijs and Visser, 1985)
Многоугольник скрещиваемости видов Cucurbita
Многоугольник скрещиваемости видов Cucurbita. Комплекс Digitata включает C. digitata, C. palmata, C. cylindrata и C. cordata, которые некоторые ученые считают подвидами C. digitata. Все комбинации скрещивания были опробованы по крайней мере в одном направлении, за исключением C. pedatifolia с C. maxima и C. radicans с C. pedatifolia, C. ficifolia, C. ecuadorensis, C. okeechobeensis и C. digitata sensu lato. Ранние работы, описывающие попытки гибридизации с C. radicans, были ошибочными, как описано в Merrick (1990); материал был неправильно идентифицирован. Для создания этой диаграммы были использованы другие опубликованные источники, а также неопубликованная работа Тома Андреса (Нью-Йорк, 1996). Сплошные линии обозначают гибрид F1, который хотя бы частично фертилен; пунктирные линии обозначают жизнеспособное, но стерильное растение F1.

Cucurbita является примером того, как межвидовой перенос генов успешно используется для улучшения сельскохозяйственных культур. Однако Cucumis sativus был улучшен с использованием генов C. sativus var. hardwickii. Кроме того, C. sativus был скрещен с диким Cucumis hystrix и хромосомы удвоились для создания нового аллотетраплоида C. hytivus. Citrullus lanatus был улучшен с помощью Citrullus mucosospermus, C. amarus и C. colocynthis.

Хотя получение межвидовых гибридов является лишь первым шагом в довольно длительном процессе, гибриды F1 Cucurbita maxima x C. moschata используются непосредственно для получения элитных сортов. Оба родительских вида являются моноэцильными, имеющими гораздо больше мужских цветков, чем женских, но межвидовой гибрид является гиноэцильным или преимущественно гиноэцильным по половому признаку. Межвидовой гибрид обычно продуктивен, если условия для опыления благоприятны (например, рядом растет моноэцичный сорт, обеспечивающий пыльцу, и пчелы работают на поле). Необычный случай получения гиноэцильного гибрида при скрещивании двух моноэцильных видов также имеет место при скрещивании C. pepo x C. ecuadorensis.

Скрещивание C. maxima x C. moschata может быть трудным или легким в зависимости от комбинации родителей (Castetter, 1930; Yongan et al., 2002; Karaagag and Balkaya, 2013). При сложном скрещивании для завязывания каждого плода может потребоваться много опылений, и в каждом плоде образуется лишь несколько семян. Селекционеры в Японии смогли провести это скрещивание настолько успешно, что продают межвидовые семена F1 на коммерческой основе. Они нашли родителей C. maxima и C. moschata, которые хорошо скрещиваются и являются более совместимыми, чем большинство представителей этих видов. ‘Tetsakabuto’, первый популярный межвидовой гибридный сорт кабачка, представляет собой скрещивание ‘Delicious’ (C. maxima) x ‘Kurokawa No. 2’ (C. moschata). Производство семян для межвидового гибрида наиболее плодовито, когда C. maxima является материнским родителем.

Скрещивание C. maxima x C. pepo трудно, но не невозможно; F1 высоко стерилен. C. pepo и C. moschata можно скрещивать, но совместимость сильно зависит от выбора родителей, причем некоторые сорта скрещиваются легче, чем другие. Уолл и Йорк (1960) сообщили, что скрещивание проходит легче, если один из родителей является гибридом F1, что увеличивает гаметическое разнообразие. Ген кустистости C. pepo был интрогрессирован в C. moschata, чтобы привить этому виду компактный габитус. Устойчивость к вирусу желтой мозаики цуккини (ZYMV), полученная от ‘Nigerian Local’ (C. moschata), была перенесена в C. pepo для получения устойчивых сортов, таких как ‘Tigress’ и ‘Jaguar’.

Из всех видов Cucurbita, C. moschata и C. argyrosperma являются наиболее близкородственными, и гибридизация может происходить в природе, особенно там, где эти два вида являются симпатрическими в Центральной Америке (Wessel-Beaver, 2000). Межвидовое скрещивание легко осуществить, хотя только с C. moschata в качестве мужского родителя (Wessel-Beaver et al., 2004). Гибриды F1 с коммерческим потенциалом разрабатываются в Мексике (Ortiz-Alamillo et al., 2007).

Дикие виды Cucurbita используются для выведения устойчивого к болезням кабачка. В исследованиях болезней C. ecuadorensis и C. foetidissima (буйволовая тыква) были признаны устойчивыми к большему числу вирусов, чем другие виды Cucurbita (Provvidenti, 1990). C. foetidissima трудно использовать в селекции кабачков из-за ее дальнего родства и несовместимости с культивируемыми видами. Однако аллели устойчивости к вирусам были успешно введены от C. ecuadorensis к C. maxima. Многочисленные устойчивые к вирусам зародыши, полученные от C. maxima x C. ecuadorensis, были выведены в Корнельском университете, США, и предоставлены селекционерам в 1985 году. ‘Redlands Trailblazer’, устойчивый к ZYMV, вирусу арбузной мозаики (WMV) и вирусу кольцевой пятнистости папайи (PRSV), был выведен в Австралии от того же межвидового скрещивания. Сорта C. pepo значительно различаются по совместимости с C. ecuadorensis (Robinson and Shail, 1987). Дальние межвидовые скрещивания Cucurbita могут быть более успешными, если использовать культуру эмбрионов.

Устойчивость к вирусу огуречной мозаики (CMV) и мучнистой росе была передана от Cucurbita okeechobeensis к C. pepo и C. moschata. Скрещивание C. okeechobeensis x C. pepo трудно осуществить даже с помощью культуры эмбрионов, а стерильность является серьезной проблемой для межвидового гибрида. Эти трудности преодолеваются путем использования промежуточного вида, например, скрещиванием C. pepo с F1 C. okeechobeensis x C. moschata (Whitaker and Robinson, 1986).

Поскольку нежелательные признаки (например, горечь) дикого родителя часто являются доминирующими, неприемлемые садоводческие виды преобладают в поколении F2 этих межвидовых скрещиваний. Однако для получения устойчивых к болезням (мучнистой росе и CMV) растений с достаточно хорошими характеристиками плодов потребовался всего один беккросс с ‘Butternut’ (C. moschata) из F1 ‘Butternut’ x C. okeechobeensis ssp. martinezii. В целом, количество необходимых беккроссов с одомашненным родителем зависит от количества генов, которые различаются между двумя родителями. После получения приемлемого потомства проводится самоопыление для достижения единообразия.

Дикие виды Cucurbita, вероятно, могут быть использованы в дальнейшем в программах селекции кабачков для обеспечения устойчивости к другим патогенам и насекомым. Другие желательные признаки, такие как засухоустойчивость и гиноэцильное половое размножение C. foetidissima, также могут быть перенесены.

 

Цитология

Хромосомные числа были определены для большинства важных культивируемых видов семейства Cucurbitaceae и ряда других тыквенных культур начиная с 1990-х годов:

  • Benincasa hispida — 12;
  • Citrullus lanatus — 11;
  • Coccinia grandis — 12;
  • Cucumis anguria — 12;
  • Cucumis dipsaceus — 12;
  • Cucumis melo — 12;
  • Cucumis metuliferus — 12;
  • Cucumis sativus — 7;
  • виды Cucurbita (включая C. pepo) — 20;
  • Cyclanthera explodens — 16;
  • Cyclanthera pedata — 16;
  • Lagenaria siceraria — 11;
  • виды Luffa (включая L. cylindrica) — 13;
  • Momordica balsamina — 11;
  • Momordica charantia — 11;
  • Momordica cochinchinensis — 14;
  • Momordica dioica — 14;
  • Praecitrullus fistulosus — 12;
  • Sechium edule — 12;
  • Trichosanthes cucumerina — 11;
  • Trichosanthes dioica — 11.

Наиболее распространенными гаплоидными числами являются 11 и 12, причем 12 считается предковым кариотипом семейства. У кабачка 20 пар хромосом, больше, чем у любого другого культивируемого вида семейства, а у огурца их меньше всего — всего семь пар. Гипотеза о том, что огурец произошел путем слияния хромосом дыни, была отвергнута в 1980-х годах, но позже была доказана с помощью секвенирования генома (Huang et al., 2009). Исследования синтении показали, что 11 хромосом арбуза превратились в 12 хромосом дыни и, наконец, в семь хромосом огурца (Huang et al., 2009).

Хромосомная морфология тыквенных культур трудна для изучения, поскольку хромосомы малы и их нелегко отличить от цитоплазмы с помощью цитологических процедур. К счастью, теперь это можно сделать с помощью технологии молекулярных маркеров. Цитология и филогенетические связи многих видов бахчевых культур были изучены в 1980-х и 1990-х годах (Singh, 1990). Были отмечены различия в длине хромосом, положении центромер, появлении сателлитов и кариотипах у огурца, дыни, видов Momordica, Luffa cylindrica и Lagenaria siceraria (Ramachandran and Seshadri, 1986; Bharathi et al., 2011; Waminal and Kim, 2012). Немногие исследования кариотипирования были проведены у Cucurbita. Waminal et al. (2011) использовали флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH) на основе 5S и 45S рДНК для кариотипирования C. moschata, но подобные исследования не проводились для других видов Cucurbita.

Содержание ДНК с помощью проточной цитометрии (С-значение) позволяет различать виды тыквенных культур и полы внутри вида (Achigan-Dako, 2008). У видов бутылочной тыквы меж- и внутривидовая вариация использовалась для дифференциации типа семян и размера генома (Achigan-Dako et al., 2008). Гетероморфные половые хромосомы были выявлены у двудомных видов Coccinia и Trichosanthes, но отсутствуют у других двудомных тыквенных культур (Roy and Saran, 1990). У плющелистной тыквы (Coccinia grandis) растения с двумя X-хромосомами являются женскими, а XY — мужскими. Y-хромосома крупнее и более гетерохроматична, чем X-хромосома, и доминирует в определении пола. Полиплоидные растения с тремя X-хромосомами и только одной Y-хромосомой андроэцичны. У некоторых двуполых видов (например, у Coccinia), как показали С-значения, Y-хромосома может увеличить содержание генома до 10% (Sousa et al., 2016).

Считается, что Cucurbita — древний тетраплоидный род, произошедший от предка с числом базовых хромосом 12 (Wu et al., 2017). Изозимные и секвенирующие данные указывают на полиплоидную природу этого рода (Weeden, 1984). На то, что полиплоидия произошла давно, указывает наличие у всех видов рода 20 пар хромосом и дисомное соотношение генов 3:1 в сегрегационных поколениях. Недавние усилия по секвенированию генома свидетельствуют о дупликации генома вскоре после того, как Cucurbita дивергировала от других видов тыквенных культур ~30 миллионов лет назад (Montero-Pau et al., 2017).

За исключением Cucurbita и, возможно, других родов трибы Cucurbiteae, полиплоидия, похоже, не играла важной роли в эволюции трибы или рода семейства Тыквенные. Однако известны отдельные случаи полиплоидных видов в некоторых родах с преимущественно диплоидными видами (например, Cucumis и Trichosanthes), а полиплоидные цитотипы иногда возникают у дыни и некоторых других видов (например, kaksa).

Автотетраплоиды были индуцированы у огурца, дыни, кабачка, арбуза, люффы и бутылочной тыквы путем обработки колхицином. Другие соединения, такие как гербицид Сурфлан (оризалин), могут быть использованы для получения тетраплоидов. Тетраплоиды до сих пор не использовались непосредственно в садоводстве, за исключением производства бессемянных триплоидных арбузов.

Внутривидовые триплоиды были созданы у огурца, дыни, кабачка и арбуза путем скрещивания тетраплоидов с диплоидами. Триплоиды очень стерильны, тогда как тетраплоиды более плодовиты, чем триплоиды, но менее плодовиты, чем диплоиды. Стерильность триплоидов, обусловленная абортом зародыша, была использована для получения бессемянного арбуза (подробнее см. главу 4). Хотя использование триплоидии в селекции других тыквенных культур было изучено, она не была использована при выведении сортов. Триплоиды естественного происхождения были обнаружены в остроконечной тыкве (Trichosanthes dioica) и плющелистной тыкве (C. grandis).

Гаплоиды, которые являются высоко стерильными, иногда спонтанно возникают у огурца и дыни. В огурце их можно распознать по уменьшенному весу семян. Гаплоиды также могут быть получены в результате межвидовой гибридизации или опыления облученной пыльцой с последующей культурой эмбрионов. Гаплоиды, обработанные колхицином, производят гомозиготные диплоидные линии быстрее, чем инбредные линии, которые могут быть выведены путем самоопыления. Удвоенные гаплоиды в настоящее время широко используются для быстрого получения инбредных линий после скрещивания. Это позволяет селекционерам выводить культурные сорта быстрее, чем раньше. Удвоенные гаплоиды, или дигаплоиды, считаются одним из инструментов скоростной селекции.

Полисомия, при которой число хромосом в некоторых соматических клетках растения кратно превышает типичное для данного растения число хромосом, была обнаружена у дыни, кабачка и других тыквенных культур. Считается, что триплоидные растения остроконечной тыквы были размножены вегетативно из триплоидных побегов на диплоидных растениях (Singh, 1990).

У кабачка стерильные межвидовые гибриды F1 обрабатывались колхицином для получения амфидиплоидов (аллотетраплоидов). Были получены самоплодные амфидиплоидные линии с родительскими линиями Cucurbita moschata x C. maxima, которые сегрегировали по некоторым благоприятным для садоводства характеристикам. Однако амфидиплоиды не сыграли важной роли в выведении новых сортов.

Были получены триплоидные межвидовые гибриды Cucurbita, некоторые из которых объединяют геномы трех различных видов. Межвидовые триплоиды также подвергались обратному скрещиванию с одним из диплоидных родителей для создания плодовитых межвидовых трисомиков. Межвидовые трисомики C. moschata и C. palmata, объединяющие 20 хромосом первого вида и одну хромосому второго, были синтезированы и использованы для привязки генов к конкретным хромосомам (Graham and Bemis, 1990). В последнее время использование трисомики для картирования генов на хромосомах было заменено использованием молекулярных маркеров и секвенированием генома.

Гены

Генетические знания о тыквенных культурах отстают от знаний о кукурузе, томате и горохе, несмотря на значительную естественную генетическую изменчивость многих видов Cucurbitaceae. Использование зимних теплиц, шпалер и клеток позволило сократить площадь и трудозатраты на скрещивание тыквенных культур для генетических исследований. Создание Кооператива генетиков бахчевых культур, а также ежегодная публикация отчета Кооператива генетиков бахчевых культур с 1978 года способствовали общению между исследователями бахчевых культур и стимулировали проведение большего количества цитогенетических исследований.

Отношения доминирования генов у дыни были впервые исследованы Сагаретом в середине 19 века. О менделевском наследовании у огурца было сообщено в 1913 году, и с тех пор было идентифицировано множество генов для каждой из основных тыквенных культур. В 1976 году для Cucurbitaceae было известно в общей сложности 170 отдельных генов. Из них 68 — для огурца, 37 — для дыни, 30 — для кабачков, 25 — для арбуза и десять — для других родов. Многочисленные другие генетические факторы были известны для культивируемых тыквенных культур и использовались в селекционных программах, но не были включены в список генов, поскольку их наследование было сложным или неизвестным.

За прошедшие десятилетия было выявлено множество дополнительных генов и аллелей тыквенных культур, а с применением геномики к различным видам, темпы ускоряются. Кооператив генетиков тыквенных культур публикует списки генов для основных тыквенных культур, и ранние списки генов включали 146 локусов для огурца (Wehner, 1993), 100 для дыни (Pitrat, 1994) и 81 для арбуза (Rhodes and Zhang, 1995). По состоянию на 2014 год количество опубликованных генов составило 509, из них 167 для огурца, 160 для дыни, 93 для кабачков, 62 для арбуза и 27 для других родов. Таким образом, за последние 40 лет количество известных генов для тыквенных культур утроилось. Некоторые из этих генов кодируют изоферменты. Кроме того, были выявлены множественные аллели, например, локусы YScr > YCrl > yO > y и G > gW > gM > gN > g у арбуза. Следует также отметить, что идентификация гена не обязательно указывает на конкретные знания о расположении, структуре или последовательности этого гена. В большинстве случаев многие из этих генов еще не имеют молекулярных маркеров, связанных с ними.

Что касается номенклатуры генов, то следует отметить, что большинство генов (но не ферментов) признаются и называются в соответствии с обнаружением нетипичного проявления этого гена, которое само по себе вызвано вновь найденным аллелем в ранее нераспознанном локусе. Ген и нетипичный, или «мутантный», аллель получают одинаковое обозначение (например, gl — аллельная форма гена gl). Первая буква обозначения пишется в нижнем регистре, если атипичный аллель рецессивный, и в верхнем регистре, если доминантный. Обозначение нормального аллеля этого гена дается как +, название гена с надстрочным знаком + или название гена с первой буквой в регистре (нижнем или верхнем), противоположном регистру атипичного аллеля. Продолжая приведенный выше пример с геном glabrous (gl), обычный или нормальный аллель может быть обозначен как +, gl+ или Gl. В этом томе мы используем систему надстрочных знаков для обозначения обычных аллелей.

Когда обнаруживаются дополнительные аллели и приписываются к гену, они обозначаются другими надстрочными знаками, добавляемыми к названию гена. Однако проверка аллелизма значительно отстает от обнаружения генетических аномалий. Когда несколько аллелей влияют на один и тот же наследуемый признак, их часто рассматривают как принадлежащие к разным генам, пока не будет доказано обратное, хотя рекомендуется проводить тесты на аллелизм, прежде чем предлагать другой локус. Это может быть проблемой для многих аллелей, связанных с устойчивостью к болезням у тыквенных культур. Необходимо провести дополнительные испытания, чтобы отнести различные аллели к соответствующему генному локусу и определить генные связи.

Огурец

Было обнаружено и внедрено в сорта огурца множество аллелей, обеспечивающих устойчивость к болезням. Сообщается о доминантных аллелях устойчивости к бактериальному увяданию (Bw), парше (Ccu), пятнистости листьев (Cca), фузариозному увяданию (Foc) и вирусу арбузной мозаики (Wmv и wmv-1-1). Сцепление устойчивости к парше с устойчивостью к фузариозному увяданию привело к тому, что многие сорта обладают обоими признаками, хотя они были отобраны только для устойчивости к парше. Доминантный аллель (Cmv) в одном локусе также был постулирован для устойчивости к вирусу огуречной мозаики, но для высокого уровня устойчивости необходимы аллели дополнительных генов. Рецессивные аллели обеспечивают устойчивость к угловатой листовой пятнистости (psl), вирусу желтой пятнистости кабачков (zyf) и вирусу желтой мозаики кабачков (zymv). Аллели Ar и cla, как сообщается, обеспечивают устойчивость к различным расам антракноза. Устойчивость к вирусу кольцевой пятнистости папайи обеспечивается prsv или Prsv-2. Было предложено несколько генов, определяющих устойчивость к пуховой росе и мучнистой росе, основными из которых являются тесно сцепленные гены dm и pm.

Локусы bitterfree (bi и bi-2) ингибируют биосинтез кукурбитацина, который является аттрактантом для огуречных жуков, но репеллентом для паутинных клещей, тлей и различных других насекомых. Гены bi эпистатичны по отношению к генам горького (Bt и Bt-2) для увеличения содержания кукурбитацина.

На устойчивость к солености влияет множество генов, помимо одного главного гена (sa). Сообщалось также, что один ген (Sd) контролирует устойчивость к загрязнению воздуха диоксидом серы.

Карликовость растений, обусловленная короткими междоузлиями, обусловлена аллелями bu, by, cp, cp-2 и dw. Хотя в настоящее время эти аллели отнесены к разным локусам, необходимо провести анализ на аллелизм, чтобы подтвердить, что они не представляют собой аллельные варианты одного и того же гена. Аллель dw также замедляет развитие крупноплодных и, следовательно, нетоварных плодов. Размер лозы также уменьшается под действием аллеля детерминантного габитуса (de), который модифицируется геном-интенсификатором In-de.

Взаимодействие двух основных генов, m и F, влияет на выражение пола. F модифицируется In-F и аллелями других генов. Некоторые сорта, гетерозиготные по F, имеют только женские цветки, благодаря правильному сочетанию модифицирующих генов, но другие могут быть однополыми при определенных условиях выращивания. Культивары, гомозиготные по F, были выведены потому, что они более надежно гиноэцильны, чем гетерозиготные.  Сообщается, что дополнительные гены влияют на проявление андроэцильного (a), андромоноэцильного (m-2) и гиноэцильного (gy) пола.

Аллели multipistillate mp и Mp-2 и их модификаторы в других локусах увеличивают число пестичных цветков на узел. Ген двойного слияния плодов (tf) приводит к тому, что два плода в одном узле сливаются в один. Развитие партенокарпических плодов регулируется Pc и модифицирующими генами.

Цвет корешков плода регулируется предполагаемыми генами B, B-2, B-3 и B-4, причем черные корешки доминируют над белыми. На количество и размер шипов влияют гены ns, ss, s-1, s-2 и s-3. Шипы и бородавки отсутствуют на плодах растений с аллелем gl, обеспечивающим голые листья, и более выражены при наличии аллеля бугорчатых плодов, Tu.

Европейские тепличные сорта имеют глянцевые плоды с нежной кожицей и равномерным темно-зеленым цветом без светло-зеленой пятнистости. Это моногенные признаки, регулируемые геном D для тусклых и глянцевых плодов и генами нежной кожицы (te) и равномерного цвета (u).

Зеленый цвет незрелых плодов доминирует над белым (w) и желто-зеленым (yg). Взаимодействие аллелей двух генов, wf и yf, предположительно определяет белый цвет мякоти по сравнению с желтым или оранжевым.

С помощью качественной генетики были предложены группы сцепления для генов огурца (Pierce и Wehner, 1990), основанные на частоте рекомбинации. С помощью молекулярной генетики три сорта огурца («Китайская длинная», Gy 14 и PI 183967) были секвенированы, а данные доступны в базе данных Cucurbit Genomics Database. Было проведено распределение хромосом по группам сцепления, а сравнение с другими видами на предмет общей синтении показало, как эволюционировали хромосомы огурца (Huang et al., 2009).

Сорта и селекция

Выращивание огурцов в парниках (теплицах) имеет большое значение в Северной Европе, Азии, на Ближнем Востоке и в других регионах. В последние годы производство огурцов в теплицах США сократилось из-за конкуренции со стороны растений, выращиваемых зимой в открытом грунте в экранных тоннелях во Флориде, Мексике и других теплых регионах. В теплицах чаще всего выращивают сорта огурцов для нарезки. В Нидерландах в теплицах выращиваются сорта для маринования, но эта практика сокращается из-за дороговизны. Партенокарпические сорта огурцов теперь доступны для выращивания в открытом грунте (участки должны быть свободны от медоносных пчел и источников пыльцы).

Тепличные огурцы стали популярны на рынках и имеют высокую цену благодаря своему превосходному качеству. Их часто можно определить по очень длинным, тонким плодам с суженной шейкой, тонкой кожицей, нечеткими бородавками и шипами и хрустящей текстурой. Плоды бессемянные и выращены на растениях, которые не содержат горечи, что делает плоды мягкими на вкус. Их хрустящая, нежная кожица и другие качественные характеристики обусловлены в первую очередь сортом, а не выращиванием в теплице. К оранжерейным сортам относятся оригинальный европейский гиноэцичный сорт ‘Telegraph’ и родственные улучшенные сорта ‘Petita F1‘ и ‘Superator’. Мелкоплодные варианты, такие как ‘Hayat’, являются новым сортом для Ближнего Востока, тепличным Бейт Альфа (Bet Alfa, происходит от ландраса из Дамаска) или персидским огурцом. Недавно был выведен тепличный сорт Бейт Альфа (партенокарпический) для получения плодов, схожих по размеру с Бейт Альфа, но в высоких туннелях (без отопления) или теплицах.

Известно, что возраст некоторых современных сортов исчисляется столетиями, поскольку изначально они были выведены в Европе или Азии. Примером может служить сорт ‘Early Russian’, который был описан Шарлем Наудином во Франции в 1859 году. Многие полевые сорта, выращенные в Европе и на Ближнем Востоке, отличаются от американских тем, что имеют многочисленные тонкие шипы и нечеткие бородавки.

Селекция сортов в США началась в конце 1880-х годов, при этом особое внимание уделялось форме и цвету плодов, а также адаптации к местным условиям выращивания. Многие сорта, выведенные до 1900 года, были выведены путем простого отбора лучших растений из разнородных сортов, выращиваемых в то время. Американские и английские сорта были скрещены для создания «гибрида Тейлби», выведенного в 1872 году, и впоследствии контролируемая гибридизация стала играть важную роль в улучшении огурцов. Некоторые из старых сортов, которые доступны и сегодня, включают сорта для маринования ‘Early Cluster’ (1778), ‘Early Russian’ (1854), ‘Chicago Pickling’ (1897), ‘Snows Pickling’ (1905), ‘National Pickling’ (1924), ‘Double Yield’ (1924), ‘Producer’ (1945) и ‘Model’ (1946). Сорта для срезки включают ‘Early White Spine’ (1806), ‘Arlington White Spine’ (1886), ‘Klondike’ (1902), ‘Davis Perfect’ (1906), ‘Longfellow’ (1927), ‘Straight Eight’ (1935), ‘Delcrow’ (1936) и ‘Marketer’ (1942).

У старых сортов американского типа нарезки при высокой температуре развивается пятнистость (светло-зеленые пятна в месте расположения лентикулов на плодах). Культивары из Азии и большинство европейских тепличных огурцов имеют аллель равномерного зеленого цвета плодов (u), и Х.М. Мангер скрестил этот аллель с ‘Marketmore 70’ и другими селекционными линиями для получения огурцов, которые сохраняют равномерный темно-зеленый цвет плодов даже при высоких температурах. Большинство сортов, продаваемых сегодня в США, имеют этот признак.

‘Maine No. 2’ (выведен в 1939 году) был первым сортом огурца, устойчивым к парше. Его устойчивость обусловлена единственным доминантным аллелем. Парша больше не является важным заболеванием для большинства тыквенных культур, потому что большинство современных сортов имеют этот аллель, который связан с устойчивостью к фузариозному увяданию, другому важному заболеванию. W.C. Barnes вывел сорт ‘Pixie’ (выведен в 1963 году) с устойчивостью к болезням в производственных зонах на юге США: пушистой росе, мучнистой росе и антракнозу. Устойчивость позволяла выращивать осеннюю культуру, расширяя полезный производственный сезон. Позже был выведен сорт ‘Sumter’ (1973) с дополнительной устойчивостью к болезням: угловатой листовой пятнистости, парше и вирусу огуречной мозаики (CMV).

Культивары, устойчивые к CMV, доступны уже более 50 лет. J.C. Walker объединил устойчивость к парше и CMV в сорте ‘Wisconsin SMR 18’ (выведен в 1958 году) огурца для засолки. Более высокий уровень устойчивости к CMV в сочетании с хорошим садоводческим типом был достигнут в серии сортов для нарезки ‘Marketmore’, выведенной H.M. Munger. Он включил устойчивость к парше и другим заболеваниям в этот сорт путем беккроссирования.

Селекционеры тыквенных культур продолжают комбинировать гены для устойчивости к различным заболеваниям. К.Э. Петерсон вывел селекционную линию WI 2757 (выпущена в 1982 году) с устойчивостью к девяти заболеваниям.

‘Burpee Hybrid’, первый F1 моноэцильный гибридный сорт огурца (выпущен в 1945 году), был выведен Оведом Шифриссом в компании Burpee Seed Company. Создание гибридных сортов стало важным после того, как у корейского сорта было получено гиноэцильное половое размножение. Гены для выражения гиноэциуса (генотип FF MM) являются доминантными, и гиноэциусные гибридные сорта имеют высокую долю женских цветков, что приводит к раннему созреванию и концентрированному урожаю. Гиноэцичные гибриды с ранним и концентрированным плодоношением подходят для механизированного сбора урожая. ‘Spartan Dawn’, выведенный в 1962 году, был первым гиноэцифическим гибридным сортом. Петерсон вывел материнского родителя этого гибрида путем обратного скрещивания гиноэциуса (генотип FF MM) с ‘Wisconsin SMR 18’ (генотип ff MM). Самые популярные сорта огурцов сегодня являются гиноэцильными гибридами.

‘Лимон’ — уникальный сорт. У него андромоноэцильное половое развитие, в то время как другие сорта огурцов моноэцильны или гиноэцильны. Маленький, круглый, желтый плод, имеющий пять плацент вместо обычных трех, слабо напоминает плод лимона, отсюда и его название. Другие улучшения, достигнутые селекцией, включают высокую урожайность, плоды с высоким содержанием витамина А, плоды с маленькой семенной клеткой, плоды, устойчивые к повреждениям во время пребывания в рассоле (устойчивость к вздутию), концентрированный набор плодов для машинной уборки (при использовании гиноэцичных и многократно ветвящихся типов), плоды с большим соотношением длины и диаметра для стрессовых условий, и партенокарпические бессемянные сорта (обычно созданные как гибриды от двух партенокарпических и гиноэцильных инбредных линий) для открытого грунта, что устраняет необходимость в растениях-опылителях или опыляющих насекомых, таких как пчелы.

Селекционеры огурцов в Китае вывели улучшенные инбредные и F1 гибридные сорта (например, ‘Ningqin’, ‘JingYan No. 2’) восточного шпалерного типа для выращивания в открытом грунте и теплицах (Cui and Zhang, 1991). Среди вводимых признаков — гиноэция, раннеспелость и устойчивость к многочисленным заболеваниям. Селекционеры также пытаются улучшить различные признаки для выращивания осенних культур. Партенокарпия была включена для уменьшения необходимости опыления в теплице. Для восточных шпалерных огурцов предпочтителен длинный плод с темно-зеленой кожицей и толстыми, заметными шипами или гребнями.

Селекционеры во всем мире продолжают отбор на широкий спектр желательных характеристик, в дополнение к устойчивости к болезням и членистоногим (насекомым и паутинным клещам). Сорта были выведены для устойчивости к холоду, жаре, засухе, гербицидам, двуокиси серы и засоленности почвы. Огурцы для маринования были выведены для того, чтобы выдерживать разделение карпеля, чтобы предотвратить вздутие во время процесса маринования. Сорта огурцов различаются по времени, необходимому для развития плодов от оптимального размера для рынка до чрезмерно крупных плодов, не имеющих особой ценности. Сорт ‘Marketer’ был важным сортом в этом отношении, поскольку он производил большую долю плодов товарной стадии (Munger, 1992).

Мутант с маленькими листьями (генотип ll ll) был открыт в 1978 году Дж.Л. Бауэрсом и М.Дж. Гудом. Его признаки многократного ветвления и многократного плодоношения были желательны для систем однократного сбора урожая, но возникли проблемы с медленным развитием плодов (характерные для генотипов с многократным плодоношением), что привело к тому, что плоды имели жесткую кожуру, крупные семена и водянистую (зрелую) семенную камеру. В настоящее время партенокарпические (бессемянные плоды, развивающиеся без опыления) сорта, которые обещают высокую урожайность, оцениваются для систем машинной уборки огурцов для засолки в США, после их успеха в Европе. Проблемы, которые необходимо решить, — это ненадежное плодоношение и жесткая кожица у плодов больших размеров.

Генетическое разнообразие

У культивируемого огурца и близкородственных видов генетическое разнообразие невелико, несмотря на то, что описаны значительные различия в цвете кожицы, шипов и полосатости. Хотя прародители огурца, вероятно, произошли из Африки, первоначальное одомашнивание произошло в Южной Азии около 3000 лет назад. Огурец и его дикие родственники из Восточной Азии и Индии имеют большее генетическое разнообразие и генетически отличаются от огурцов, выведенных в США, Европе и Западном/Центральном Китае. Из-за низкого генетического разнообразия, присутствующего в культивируемом огурце, родственные виды были изучены селекционерами как потенциальные источники новых признаков. C. melo, C. hystrix, C. metuliferus и Lagenaria siceraria могут служить дополнительными источниками для селекции по таким коммерчески важным признакам, как устойчивость к болезням. До сих пор только C. hystrix и близкородственные ботанические сорта C. sativus var. harwickii, C. sativus var. xishuangbannanensis и C. sativus var. sikkimensis были успешно использованы в качестве источников новых генов для огурца.

Дыня

Было изучено множество локусов, определяющих устойчивость дыни к болезням. Один ген, Ac, определяет устойчивость к Alternaria leaf blight в линии дыни MR-1. Устойчивость к расам 0 и 2 фузариозного увядания обеспечивается Fom-1 или Fom-3, и существует аллель другого гена (Fom-2) для устойчивости к расам 0 и 1. Аллель Mc обеспечивает высокий уровень устойчивости к гумми-стеблевому увяданию, а Mc-2 — умеренную степень устойчивости к этому заболеванию. Пять независимых доминантных генов, с Gsb-1 по Gsb-5, также сообщают о высоком уровне устойчивости к камедетечению стеблей, из PI 140471, 157082, 511890, 482398 и 482399, соответственно. Было предположено, что восемь локусов влияют на устойчивость к мучнистой росе, вызываемой Podosphaera xanthii, и еще три — к мучнистой росе, вызываемой Erysiphe cichoracearum. Для устойчивости к мучнистой росе было зарегистрировано четыре гена. Два аллеля (Prv1 и Prv2) одного гена обеспечивают устойчивость к вирусу кольцевой пятнистости папайи PI 180280, но они отличаются по реакции на некоторые штаммы этого вируса. Prv2 рецессивен по отношению к Prv1, но доминантен по отношению к Prv+. Устойчивость к патотипу O вируса желтой мозаики кабачков обеспечивается доминантным аллелем Zym от PI 424723. Один доминантный ген, Wmr, обеспечивает частичную устойчивость к вирусу арбузной мозаики. Хотя известна полигенная устойчивость к вирусу огуречной мозаики, недавно сообщалось, что один доминантный ген, Creb-2, обеспечивает устойчивость к штамму CMV-B2. Два комплементарных рецессивных гена, cab-1 и cab-2, передают устойчивость к вирусу желтизны огурца, переносимому тлей (CABYV). Устойчивость к вирусу желтой задержки роста огурца (CYSDV) была приписана одному доминантному гену (Cys) из TGR-1551. Последующие исследования показали, что один рецессивный ген может обеспечивать более сильную устойчивость. Другой доминантный ген, Liy из PI 313970, придает устойчивость к родственному Crinivirus, вирусу инфекционной желтизны салата. Этот же PI имеет рецессивную устойчивость к вирусу сморщивания листьев огурца, передаваемую одним геном, culcrv. Другой единственный рецессивный ген, nsv, наделяет устойчивостью к вирусу некротической пятнистости дыни. Устойчивость к этому вирусу также приписывается двум независимым доминантным генам, Mnr-1 и Mnr-2 (McCreight et al., 1993; Lopez-Sese and Gomez-Guillamon, 2000; Frantz and Jahn, 2004).

Выявлено несколько генов устойчивости дыни к насекомым. Af влияет на устойчивость к красному тыквенному жуку. Устойчивость к дынной тле обеспечивается доминантным аллелем по гену Ag, а Vat обуславливает устойчивость к вирусам, передаваемым этим вредителем. Два комплементарных гена, dc-1 и dc-2, регулируют устойчивость к бахчевой мухе. Гены, контролирующие содержание кукурбитацина в листьях, включая cb и Bi, влияют на устойчивость к насекомым; растения, гомозиготно рецессивные по обоим этим локусам, устойчивы к огуречному жуку. Один доминантный ген, Lt, обеспечивает устойчивость к антибиозу листоеда (Liriomyza trifolii) (Dogimont et al., 1999).

На габитус дыни влияют многие гены, несколько из которых были идентифицированы. Компактный габитус может быть получен путем селекции на гомозиготное рецессивное состояние по одному из локусов коротких междоузлий, si-1, si-2 или si-3 (Knavel, 1990) или короткого бокового ветвления, slb (Fukino et al., 2012). Точное картирование локусов коротких междоузлий выявило регион на хромосоме 7 (Hwang et al., 2014). Аллель Imi увеличивает длину междоузлий на главном стебле, а ab (abrachiate) подавляет развитие боковых ветвей.

Гены a (andromonoecious) и g (gynomonoecious) взаимодействуют, влияя на проявление пола следующим образом: моноэция (a+/- g+/-), андромоноэция (a/a g+/-), гиномоноэция (a+/- g/g) и гермафродизм (a/a g/g). Стабильное проявление гиноэцильного пола может быть достигнуто путем сочетания гомозиготного рецессивного gy (гиноэцильного) по третьему локусу с доминантным аллелем по локусу a и аллелем g в гомозиготном состоянии по локусу g (т.е. a+/- g/g gy/gy). Были разработаны генетические маркеры для локусов a, m и g (Noguera et al., 2005; Feng et al., 2009; Gao et al., 2011). Растения дыни являются мужски стерильными, если они гомозиготно рецессивны по аллелям одного из независимых генов ms-1, ms-2, ms-3, ms-4 или ms-5.

Плоды некоторых сортов дыни отделяются (соскальзывают) от лозы при созревании из-за наличия слоя абсцедирования, но другие сорта, лишенные этого признака, имеют стойкие (не соскальзывающие) плоды. Два доминантных аллеля, Al-1 и Al-2, контролируют формирование слоя абсцедирования.

Качество плодов является полигенным признаком, но несколько отдельных генов оказывают основное влияние. В диких популяциях дыни плоды могут быть горькими из-за Bi и иметь мучнистую текстуру мякоти из-за аллеля Me. Кислый вкус доминирует над сладким и обусловлен геном So. Сообщалось о рецессивном аллеле (if) для сочной мякоти и доминантном аллелеле (Mu) для мускусного вкуса. Сообщается, что рецессивный ген (suc) обуславливает высокое накопление сахарозы в дыне.

Многие гены влияют на интенсивность цвета мякоти, но отдельные основные гены могут определять, будет ли мякоть оранжевой (что является доминантным), зеленой или белой. Рецессивные аллели двух генов определяют зеленый цвет мякоти (gf) и белый цвет мякоти (wf), причем wf+ эпистатичен к gf+/gf.

На внешний цвет плодов влияют гены Mt (пестрая кожура), st (полосатый эпикарп), w (белый зрелый плод), Wi (белый незрелый плод) и Y (желтый эпикарп). Гены формы плода включают O (овал), s («швы» или жилкование) и sp (шаровидная форма плода).

Молекулярная карта связей дыни с 12 группами связей, соответствующими 12 хромосомам, была собрана группами из Техаса, Франции и Испании. Кроме того, геном дыни был секвенирован в Испании и теперь доступен для дальнейшего увеличения насыщенности генетической карты (Oliver et al., 2001).

Тыква

Большинство описаний генов со ссылками на основную литературу можно найти в Paris and Padley (2014). В последнем обновлении был добавлен ряд новых генов устойчивости к болезням для кабачка. Устойчивость к мучнистой росе у C. okeechobeensis (Small) L. H. Bailey и C. lundelliana L. H. Bailey контролируется доминантными аллелями локусов Pm-0 и Pm соответственно, а гены-модификаторы могут влиять на экспрессию этих аллелей. Два рецессивных гена устойчивости (pm-1 и pm-2) были охарактеризованы у C. moschata. Три доминантных комплементарных гена (Crr-1, Crr-2 и Crr-3) для устойчивости к корончатой гнили (вызываемой Phytophthora capsici) были интрогрессированы из C. lundelliana и C. okeechobeensis ssp. okeechobeensis в C. moschata. Сообщается, что шесть генов плюс модификаторы, происходящие из C. moschata, влияют на устойчивость к вирусу желтой мозаики цуккини. Для четырех локусов аллель устойчивости является доминантным, в то время как для двух других локусов аллели рецессивны. Zym-0 и zym-6 действуют независимо, тогда как Zym-1, Zym-2 и Zym-3, Zym-4 и zym-5 образуют комплементарные наборы. Модификатор zym-6 (m-zym-6) изменяет рецессивную экспрессию на доминантную. Рецессивная устойчивость (zymecu) также была обнаружена у C. ecuadorensis к ZYMV. Устойчивость к вирусу арбузной мозаики была описана у двух разных видов: Wmv у C. moschata и Wmvecu, выявленная в межвидовом скрещивании C. maxima x C. ecuadorensis. Пара комплементарных генов (prv-1 и Prv-2), идентифицированных у C. moschata, обеспечивает устойчивость к вирусу кольцевой пятнистости папайи. Два гена (доминантный Slc-1 и рецессивный slc-2) независимо друг от друга обеспечивают устойчивость к вирусу скручивания листьев у C. pepo. У C. moschata был идентифицирован единственный ген устойчивости к вирусу огуречной мозаики (Cmv). В некоторых случаях, например, для Zym-1 и Wmv, устойчивость к различным вирусам может быть обусловлена генами в одном и том же локусе или генами, тесно связанными в сложном локусе. Гомология между генами устойчивости к одному и тому же патогену у разных видов еще не выяснена.

Устойчивость к дынной мухе обеспечивается аллелем Fr в C. maxima. Растения C. pepo, гомозиготные по cu, который снижает содержание кукурбитацина в листьях, не предпочитаются огуречными жуками, поскольку этих насекомых привлекают кукурбитацины. Устойчивость к серебристому листовому увяданию, вызываемому белокрылкой (Bemisia tabaci), обнаружена как у C. pepo, так и у C. moschata, причем устойчивость передается рецессивным геном sl.

Ряд генов связан с признаками одомашнивания у Cucurbita. Горечь, вызываемая кукурбитацином, находится под контролем нескольких генов. В дополнение к cu, который обуславливает горькие котиледоны, Bi-0 обуславливает горькие плоды у C. pepo. Три локуса горьких плодов (Bi-1, Bi-2 и Bi-3) были обнаружены в межвидовом скрещивании C. pepo x C. argyrosperma. Bi-0 и Bi-1 или Bi-2 могут быть аллельными. В скрещиваниях C. maxima и C. maxima x C. ecuadorensis, Bimax обуславливает горечь. Дикие виды Cucurbita и некоторые сорта кабачка имеют твердую кожуру плодов. На твердость кожуры влияет ген Hr (hard rind) у C. pepo и Hi (hard rind inhibitor) у C. maxima. В присутствии Hr, Wt придает бородавчатость у C. pepo. Бородавчатость также встречается у C. maxima, но генетически не охарактеризована. Кустистость из-за коротких междоузлий обусловлена аллелем Bu у C. pepo; экспрессия Bu доминантна на ранних стадиях развития растений и рецессивна по мере того, как растения зарастают лозой. Кустистость C. moschata также находится под моногенным контролем, в то время как два-три неполностью доминантных гена были вовлечены в различные фенотипы кустистости C. maxima. Привычка к росту куста у разных видов чрезвычайно изменчива, но окончательно описан только один ген, а другие, возможно, только ожидают своего открытия. Хотя большинство генов, влияющих на размер и форму плодов, являются количественными, были описаны два качественных гена, влияющих на форму. У C. pepo форма плода диска регулируется геном Di. Ген Bn определяет форму плода баттерната и является доминантным по отношению к форме плода кривошеи у C. moschata. Характерная жилистость мякоти «овощных спагетти» (C. pepo) после варки, как сообщается, регулируется одним геном, fl. Рецессивный аллель основного гена (n) и аллели модифицирующих генов для голого семени уменьшают отложение лигнина и целлюлозы в шлер-энхиме и субэпидермальной ткани семенной оболочки у C. pepo. Устойчивость C. moschata к гербициду трифлуралину регулируется геном T, который модифицируется геном-ингибитором I-T.

Несколько генов влияют на цвет цветка, морфологию и половую экспрессию. У C. moschata de обуславливает детерминантные растения, заканчивающиеся пестичными цветками. У C. foetidissima имеется один ген (G), определяющий гиноэцильное проявление пола, но доминантный аллель не был перенесен на культивируемые разновидности кабачка. Все тычиночные цветки обусловлены рецессивным геном a у C. pepo, в то время как ae усиливает экспрессию тычиночных цветков у того же вида. Соцветия Cucurbita обычно одиночные, но растения, гомозиготные по рецессивному признаку mf в C. pepo, производят несколько цветков в соцветии. Сообщалось о трех генах мужской стерильности, ms-1, ms-2 и ms-3, причем ms-1 и ms-3 присутствуют у C. maxima, а ms-2 — у C. pepo. Стерильные цветки, обусловленные s-1 и s-2, наблюдались у C. maxima и C. pepo, соответственно. Cr и I действуют согласованно, изменяя цвет цветка: Cr-I- обуславливает интенсивный желтый цвет, Cr-ii — бледно-желтый, crcrI — кремовый и crcrii — белый цвет. Эти гены были обнаружены при скрещивании C. moschata x C. okeechobeensis.
Цвет плодов различных сортов кабачка весьма разнообразен, и был исследован ряд генов пигментации плодов. Неполностью доминантный аллель гена B (так называемый преждевременный желтый цвет), который был обнаружен у декоративной тыквы, был использован для выведения сортов C. pepo с золотистым цветом плодов, а ген B обычно повышает содержание каротиноидов в ткани мезокарпа. Этот аллель влияет на многие другие садоводческие признаки, такие как пониженная хранимость и повышенная чувствительность к повреждению при охлаждении. На выражение цвета плодов аллеля B влияют гены-удлинители пигментации Ep-1 и Ep-2, ген-супрессор Ses-B и другие модифицирующие гены. Плоды имеют желтую и зеленую двухцветную окраску, когда B гетерозиготен. Этот признак был перенесен на C. moschata, но в природе встречаются преждевременные желтые типы у этого вида, и этот ген также является неполнодоминантным. Желто-оранжевый цвет плодов у сортов C. maxima контролируется геном Bmax и модификаторами. В отличие от B в C. pepo и C. moschata, Bmax является полностью доминантным. Два гена C. pepo, l-1 и l-2, регулируют светлую пигментацию плодов. Аллель l-1St (полосатый плод) рецессивен по отношению к аллелю 1-1+, но доминантен по отношению к l-1. Доминантный ген D придает темный цвет стеблям, особенно цветоносу, по сравнению со светло-зелеными стеблями у растений, гомозиготных по d/d, и является эпистатическим по отношению к l-1 и l-2. Аллель Ds окрашивает стебли, но не кожуру плодов. Два гена, Wf для белой мякоти и W для слабой пигментации, вместе с l-1 и l-2 регулируют белый цвет кожуры у C. pepo. Ген W также эпистатичен к эффектам D на цвет кожуры плодов, но не на пигментацию стеблей. Аллель Y обуславливает развитие желтых плодов вскоре после антезиса у C. pepo. Зеленый цвет плодов у C. moschata регулируется геном Gr. Ген Mldg этого вида определяет, являются ли незрелые плоды пестрыми светло- и темно-зелеными или окрашены равномерно в темно-зеленый цвет. У C. maxima аллель bl приводит к сине-серому цвету кожицы плодов в сочетании с генами зеленой кожицы, но к розовым плодам у растений, несущих аллель Bmax.

Использование молекулярных маркеров для составления карты сцепления у кабачка догоняет другие бахчевые культуры. Ранние карты были основаны на межвидовых комбинациях, но по мере совершенствования маркерных систем и расширения охвата генома, более поздние карты были основаны на двуродительских внутривидовых скрещиваниях. Одна из первых карт родства для Cucurbita, в которой использовались маркеры, отличные от морфологических, была основана на скрещивании C. maxima x C. ecuadorensis, где пять групп родства изозимных генов были предложены Weeden и Robinson (1986). Межвидовая популяция беккросса C. pepo x C. moschata была использована для картирования 148 RAPD-маркеров в 28 группах сцепления. Локусы для трех качественных генов были картированы вместе с двумя QTL (Brown and Myers, 2002). Zraidi et al. (2007) разработали консенсусную карту из двух рекомбинантных инбредных популяций C. pepo, используя набор RAPD, AFLP и SCAR маркеров. Восемь QTL, связанных с лигнификацией семенной оболочки, были также идентифицированы с помощью анализа сегрегантов. Gong et al. (2008) создали отдельные внутривидовые карты для C. pepo и C. moschata с использованием SSR-маркеров. Использование микросателлитных маркеров позволило сравнить карты сцепления двух видов для определения уровней макросинтении. Первая внутривидовая карта C. maxima была создана Ge и др. (2015) с использованием комбинации SSR, AFLP и RAPD маркеров. Более полная межвидовая карта C. maxima x C. ecuadorensis с использованием RAPD была разработана (Singh et al., 2011). Генотип по секвенированию был применен к двум видам для разработки карт высокой плотности на основе SNPs. Zhang et al. (2015) создали карту SNP для C. maxima и использовали анализ QTL для выявления гена-кандидата длины лозы. Для C. pepo был секвенирован геном и составлена карта сцепления на основе SNP на фоне кабачка (Montero-Pau et al., 2017).

Арбуз

Сообщалось, что два гена арбуза определяют устойчивость к антракнозу: Ar-1 — устойчивость к расе 1 и Ar-2-1 — устойчивость к расе 2. Аллели db и Fo-1 обеспечивают устойчивость к камедетечению стеблей и расе 1 фузариозного увядания, соответственно. Однако устойчивость к поражению гумми-стеблевой болезнью, по-видимому, обусловлена не только одним геном. Восприимчивость к мучнистой росе определяется pm. Устойчивость к мучнистой росе расы 2 из PI 270545 контролируется по крайней мере двумя генами. Устойчивость к арбузному штамму вируса кольцевой пятнистости папайи (PRSV-W) контролируется одним рецессивным геном prv. Умеренный уровень устойчивости к вирусу желтой мозаики кабачков обеспечивается одним рецессивным геном zym-FL. Высокий уровень устойчивости к флоридскому штамму вируса желтой мозаики цуккини контролировался одним рецессивным геном zym-FL-2; не то же самое, что zym-FL. Устойчивость к китайскому штамму вируса желтой мозаики цуккини контролировалась одним рецессивным геном zym-CH. Один доминантный аллель, Zym, обеспечивает устойчивость к вирусу желтой мозаики цуккини. Гены устойчивости к насекомым для арбуза включают Af (устойчивость к красному тыквенному жуку) и Fwr (устойчивость к плодовой мухе).

Арбузные растения с короткими лозами можно вывести, если они гомозиготны по рецессивному локусу dw-2 или по одному из двух аллелей карликовости растений в локусе dw-1. Оба гена дают суперкарликовый сорт, который был использован для выведения сортов для выращивания в патио и контейнерах. Ветвление на нижних узлах главного стебля снижено аллелем bl.

Андромоноэция рецессивна к моноэции и обусловлена геном a. Известны два аллеля, вызывающие мужскую стерильность, ms и gms, последний связан с голыми листьями.

Когда растения гомозиготно рецессивны по аллелю e (взрывная кожура), плоды нежные (кожура не жесткая, но может быть тонкой или толстой), лопаются при разрезе. Ген f определяет бороздчатую поверхность плода. Неполностью доминантный аллель O определяет удлиненную или шарообразную форму плода. Аллель su подавляет горечь плодов.

Темно-зеленый цвет кожицы (G-1 и G-2) является доминантным, а другие аллели в локусе g-1 определяют степень окраски и полосатости: G (средний или темный сплошной зеленый); gW (широкая полоса); gM (средняя полоса); gN (узкая полоса); и g (сплошной светло-зеленый или серый). Доминантный ряд: G > gW > gM > gN > g. Зеленоватая крапчатость экзокарпа создается аллелем m, а карандашные линии — p. Золотистый цвет зрелых плодов и хлороз старых листьев регулируется геном go.

Ген с доминантным аллелем белой мякоти (Wf) эпистатичен к гену желтой мякоти; двойной рецессивный ген — красноплодный. Аллель С дает канареечно-желтый цвет мякоти. Темно-красный цвет мякоти (и количество ликопина) контролируется несколькими аллелями в локусе y. Алый красный цвет мякоти (YScr) доминирует над кораллово-красным (YCrl), оранжевым (yO) и лососево-желтым (y). Аллель YScr > YCrl > yO > y. Аллель YScr получен от сортов ‘Dixielee’ и ‘Red-N-Sweet’; аллель YCrl — от ‘Angeleno’ (черносемянной); аллель yO — от ‘Tendersweet Orange Flesh’; и аллель y — от ‘Golden Honey’.

Взаимодействие аллелей нескольких генов, включая d (пунктирная семенная оболочка), r (красный), t (загар) и w (белая семенная оболочка), определяет цвет и рисунок семенной оболочки. Клок — RR TT ww; загар — RR tt WW; белый — RR tt ww; зеленый — rr TT WW; красный — rr tt WW; белый с розовым кончиком — rr tt ww. Размер семян контролируется несколькими генами, включая гены l (длинные) и s (короткие семена), причем s эпистатичен к l, а long рецессивен к medium или short. Фенотипами являются LL SS для средних, ll SS для длинных и LL ss или ll ss для коротких семян. Источниками генотипов являются ll SS от ‘Peerless’, LL SS от ‘Klondike’ и LL ss от ‘Baby Delight’. Третий ген, ts, определяет размер семян томата, который меньше, чем короткие семена. Кроме того, ген tiny seed (Ti, доминантный к short seed) от ‘Sweet Princess’ производит семена, которые находятся между размерами short seed и tomato seed. Пять генов для белкового состава семян (Spr-1, Spr-2, Spr-3, Spr-4 и Spr-5) включены в список генов арбуза.

Навот и Замир (1986) сообщили о четырех группах сцепления из 13 изозимных генов. С тех пор геном Citrullus был секвенирован с использованием китайской селекционной линии 97103 (Guo et al., 2013), а затем с использованием ‘Charleston Gray’.

Геномика

С появлением технологий секвенирования следующего поколения были секвенированы геномы некоторых основных бахчевых культур, что позволило создать новые наборы ресурсов для этих культур. В настоящее время доступны геномы арбуза, дыни, огурца, тыквы (C. pepo и C. moschata), тыквы (C. maxima) и бутылочной тыквы (L. siceraria), и этот список будет расти по мере снижения стоимости секвенирования. Информация доступна в базе данных по геномике тыквенных культур, которую ведет Дж. Фей в Институте Бойса Томпсона (Корнельский университет, Итака, Нью-Йорк).

Огурец, первый геном тыквенных культур, который был секвенирован (2009), позволил ученым, включая селекционеров, выявить новые пути биосинтеза и разработать молекулярные маркеры. С каждым секвенированным геномом каждого вида огурца мы получаем все большее понимание эволюции Cucurbitaceae, а также функции генов, общих для всех видов. Высокий уровень синтении между генетическими последовательностями огурца и дыни показал слияние хромосом, которое привело к образованию огурца из дыни. Геном бутылочной тыквы, одного из последних секвенированных видов, предоставил новые доказательства того, что древние огурцы имели 12 хромосом. В то время как у большинства крупных тыквенных культур проведено полногеномное секвенирование, у многих мелких огуречных культур проведено частичное секвенирование генома. Благодаря этим исследованиям были выявлены новые и видоспецифичные гены для горькой тыквы (Behera et al., 2016), восковой тыквы (Jiang et al., 2013), диких видов Cucumis (Ling et al., 2017) и других тыквенных культур, включая ползучий многолетник Gynostemma pentaphyllum (Chen et al., 2016).

Эти ресурсы были использованы для десятков исследований транскритомного анализа развивающихся плодов, устойчивости или восприимчивости к болезням, роста в условиях абиотического стресса и многих других этапов роста растений у культурных и диких тыквенных культур. Многие транскриптомные исследования огурцов до настоящего времени были сосредоточены на огурце из-за его экономической важности (Ando et al., 2012; Kong et al., 2015; Wyatt et al., 2016; Li et al., 2017; Sun et al., 2017). Хотя немногие исследования транскриптома огурца привели к идентификации одного гена, контролирующего определенный признак, эти крупномасштабные исследования транскриптома предоставляют ценную информацию о генетических путях, паттернах экспрессии и кандидатах для селекции и технологий генетической трансформации.

Исторические методы селекции

Природа ДНК у тыквенных культур изучается уже более трех десятилетий. Бхаве и др. (1986) проанализировали распределение повторяющихся и однокопийных последовательностей ДНК в гладкой и угловатой люффе, восковой тыкве и плющелистной тыкве. Примерно в то же время Ганал и Хемлебен (1986) сравнили карты рестрикционных ферментов повторов рибосомной ДНК у огурца, дыни и двух видов кабачков, C. maxima и C. pepo. Ранней и постоянной целью изучения ДНК и РНК у тыквенных культур было выяснение филогенетических отношений внутри семейства. Анализ вариаций хлоропластной ДНК выявил видовые отношения в Cucurbita (Wilson et al., 1992) и Cucumis (Perl-Treves and Galun, 1985), и исследователи продолжают использовать информационные системы на основе ДНК для выявления происхождения и оценки отношений в Cucurbitaceae (Schaefer et al., 2009; Chomicki and Renner, 2014).

Скоростная селекция — это система, в которой используются новые технологии для выведения сортов за меньшее время. Некоторые из этих технологий, которые были применены для ускоренной селекции тыквенных культур, следующие. Теплицы могут быть снабжены освещением, которое позволяет ускорить рост и цветение в зимний период. Кроме того, контроль температуры обеспечивает быстрый рост, как правило, при температуре 32 °C днем и 21 °C ночью. Полевые испытания можно проводить быстрее, используя много мест и мало лет. Скоростная селекция обычно основывается на предыдущих технологиях. Некоторые из них включают зимние питомники, оптимальный размер корней в тепличных горшках или мешках, а также использование регуляторов роста для увеличения скорости скрещивания и самоопыления.

Значительная часть раннего прогресса в понимании генетического кода тыквенных культур и других растений была достигнута благодаря использованию ферментов рестрикции, также называемых эндонуклеазами. Эндонуклеаза расщепляет ДНК в определенном месте на основе распознавания ферментом определенной последовательности нуклеотидов. Существует множество различных эндонуклеаз, каждая из которых разрезает ДНК в разных местах и создает фрагменты ДНК различной длины. Эндонуклеазы позволяют картировать ДНК, что и происходит с огурцом, дыней и кабачком в течение последних 30 лет. Например, Гунарис и др. (1990) использовали эндонуклеазы для решения генетической карты хлоропластной ДНК у C. pepo, а совсем недавно эндонуклеазы были использованы для создания генетической карты кабачка (C. pepo) с помощью генотипирования путем секвенирования (GBS) (Montero-Pau et al., 2017).

Эндонуклеазы также позволяют ученым создавать рекомбинантные ДНК, которые получаются в результате ферментативного соединения расщепленных нитей ДНК из двух разных молекул ДНК. Если одна из этих молекул является бактериальной плазмидой (независимое, самовоспроизводящееся кольцо ДНК в бактериальной клетке), то ДНК из другой молекулы может быть включена в плазмиду. Плазмида, содержащая рекомбинантную ДНК, может быть перенесена в эмбриональные растительные клетки, которые, в свою очередь, передают генетический материал новым клеткам.

Если трансгенный вектор представляет собой бактериофаг (вирус, заражающий бактерии), а не плазмиду, рекомбинантная ДНК передается от вируса к бактерии (где она встраивается в бактериальную ДНК), а затем от бактерии к растению. Бактерии, содержащие инкорпорированную вирусную ДНК, обладают определенной степенью иммунитета к атакам того же фага, поскольку инкорпорированная ДНК направляет синтез молекулы репрессора фага, которая регулирует экспрессию вирусной ДНК.

Новые методы разведения

Скоростная селекция развивалась по мере появления новых технологий. Производство удвоенных гаплоидов ускорило процесс получения инбредных линий, хотя иногда трудно получить достаточное количество дигаплоидов для каждого скрещивания, в оценке которого заинтересованы селекционеры. Часто гибриды производятся до того, как родительские линии были тщательно оценены. Таким образом, лучшие гибриды быстро становятся доступными, когда данные полевых и тепличных испытаний определяют те, которые следует перевести на следующий этап селекции. Таким же образом линии используются для начала новых скрещиваний до того, как они были тщательно оценены. Оценка рассады с использованием молекулярных маркеров для отбора особей с интересующими признаками также сокращает время генерации.

Многочисленные системы для выявления изменчивости в ДНК растений были разработаны и используются для облегчения генетического картирования. Повторы простой последовательности (SSRs) и однонуклеотидные полиморфизмы (SNPs) — две наиболее распространенные системы молекулярных маркеров, используемые в настоящее время для создания генетических карт. Одним из направлений генетического картирования является выявление молекулярных маркеров, связанных с интересующими признаками (высокая урожайность, качество плодов, устойчивость к болезням). Связь между молекулярным маркером и интересующим признаком позволяет определить наличие признака путем проверки генотипа по маркерному локусу. Такое тестирование может происходить уже на стадии семян, что позволяет быстро отобрать растения, обладающие интересующим признаком. В огурцах, арбузах, тыквах и дынях имеются маркеры для селекции на улучшение качества плодов и устойчивость к болезням.

В тех случаях, когда просто наследуемые источники устойчивости к болезням не были найдены (например, устойчивость к CMV у дыни и кабачка), генная инженерия и перенос белка оболочки или генов репликазы вируса в тыквенные культуры позволили придать этим культурам устойчивость к болезням. Например, Chee и Slightom (1991) разработали механизм защиты от CMV в огурце, опосредованный белком оболочки. Они использовали разоруженный штамм Agrobacterium tumefaciens для переноса белка оболочки вируса в огурец. Небольшие кусочки молодой, растущей ткани котиледона замачивали в растворе, содержащем рекомбинантную ДНК, несущую бактериальные плазмиды. Трансформированные эмбриогенные калли регенерировали, а полученные растения инокулировали и продемонстрировали устойчивость к CMV. Гонсалвес и др. (1992) далее доказали, что трансгенные растения имели высокий уровень устойчивости к CMV в естественных полевых условиях, где заражение вирусом обычно происходит через насекомых-переносчиков.

Аналогичные эксперименты в полевых условиях были проведены для трансгенных линий кабачка (C. pepo). Восприимчивый к вирусам гибрид ‘Pavo’ сравнивался с двумя трансгенными селекциями этого сорта, обладающими устойчивостью к CMV и WMV (Arce-Ochoa et al., 1995). В полевых условиях в Техасе у двух трансгенных селекций было всего 3% и 14% симптоматических растений, по сравнению с 53% у ‘Pavo’.

В США первым коммерчески доступным трансгенным сортом огурцов был ‘Freedom II’ (ранее называвшийся ‘ZW-20’), желтый кабачок типа crookneck (C. pepo). Этот сорт был сконструирован с устойчивостью к WMV и ZYMV. Снова был использован A. tumefaciens, на этот раз для переноса генов белка оболочки WMV и ZYMV на кабачок. После появления сорта ‘Freedom II’ были выведены дополнительные сорта, включая ‘Liberator III’ и ‘Independence II’.

В последнее время набирают популярность методы редактирования генов. Система кластеризованных регулярно перемежающихся коротких палиндромных повторов (CRISPR)-ассоциированных белков является общепризнанным мощным инструментом редактирования генома. Вкратце, CRISPR — это РНК-направляемый инструмент редактирования, который использует короткую (21-72 нуклеотида) семенную последовательность, фланкированную палиндромными повторами, для распознавания и расщепления определенной последовательности ДНК. В отличие от генной инженерии, где гены вставляются случайным образом, редактирование генома позволяет вносить конкретные изменения без каких-либо побочных эффектов или с минимальным количеством чужеродных генов, остающихся в новом сорте. CRISPR представляет собой высокоэффективный и недорогой инструмент редактирования генома и в настоящее время разрабатывается для огурцов. Хотя система CAS9 является наиболее распространенной, для полного использования этой технологии разрабатываются многочисленные системы CRISPR. В огурце CRISPR была использована для включения устойчивости к вирусу желтой мозаики кабачков, вирусу мозаики кольцевой пятнистости папайи-W и вирусу пожелтения жилок огурца в нетрансгенное растение (Chandrasekaran et al., 2016). В арбузе система CRISPR была протестирована с использованием фитоеновой десатуразы, но новые признаки качества пока не были успешно включены (Tian et al., 2017).

Сохранение биоразнообразия тыквенных культур

Богатое наследие и этническая культура способствовали сохранению богатейшего разнообразия, включая редкие ландрасы/примитивные виды полезных овощей, таких как баклажан, огурец, гребневая и губчатая тыква, а также ряд видов корнеплодов и клубнеплодов. Ряд овощных культур был завезен в Индию из других регионов путешественниками и захватчиками, такими как персы, турки, моголы, португальцы, голландцы, французы и британцы, которые акклиматизировались и развили хорошее разнообразие. Однако в последнее время разнообразие ценных генетических ресурсов находится под угрозой. Поэтому сохранение генетического богатства овощей, особенно их диких родственников, является необходимым для будущего использования. Сохранение зародышевой плазмы может осуществляться in situ, ex situ и in vitro.

  1. Сохранение зародышевой плазмы in situ: Сохранение зародышевой плазмы в ее естественной среде обитания или на территории, где она произрастает естественным образом, известно как сохранение зародышевой плазмы in situ. Это достигается путем защиты этой территории от вмешательства человека; такую территорию часто называют природным парком, биосферным заповедником или генным заказником. Генный заповедник лучше всего располагать в центре происхождения соответствующих видов сельскохозяйственных культур, предпочтительно охватывая микроцентр в пределах центра происхождения. В основном, сохранение in situ является идеальным методом сохранения генетических ресурсов диких растений и многолетних овощей, которые либо не дают семян, либо дают неподатливые семена и не дают растений, соответствующих типу.
  2. Сохранение зародышевой плазмы ex situ: Сохранение зародышевой плазмы вне ее естественной среды обитания называется сохранением ex situ. Сохранение ex situ требует сбора и систематического хранения семян/пропагул на короткий, средний и длительный срок. NBPGR, Нью-Дели, центральное агентство по сохранению ex situ генетических ресурсов растений для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства, поддерживает активные и базовые коллекции различных видов сельскохозяйственных культур и их диких сородичей, включая овощи, в сети генных банков в стране.
  3. Сохранение in vitro: Оно включает (а) сохранение клеток, тканей и органов в стеклянных или пластиковых контейнерах в асептических условиях путем медленного роста культур и (б) криоконсервацию культур (тканей, органов, пыльцы, соматических/зиготных эмбрионов или культур эмбрио-генных клеток в жидком азоте при температуре от -150 до -196°C). Он может называться банком клеток и органов.

Литература

Cucurbits. 2nd Edition. Todd C. Wehner, Rachel P. Naegele, James R. Myers, Narinder P.S. Dhillon, Kevin Crosby. USA. 2020.

×
Русфонд