Химический состав тыквенных культур

[toc]

Плоды огурцов по содержанию питательных веществ сопоставимы с другими фруктами и овощами и отличаются высоким содержанием провитамина А в некоторых сортах кабачков и дынь, а также большим количеством масла и белка в семенах Telfairia, Cucurbita и других огурцов. Огурцы являются хорошим источником углеводов и играют важную роль в питании человека, особенно в тропических странах, где их потребление велико.

Исходя из количества питательных веществ, произведенных на один рабочий час, вложенный в производство, MacGillivray и др. (1942) поставили плоды Cucurbita maxima на первое место среди всех исследованных овощных культур. Этот кабачок имел наибольшее количество каротиноидов, произведенных на килограмм, на гектар и на рабочий час. Однако при сравнении многих питательных веществ огурцы занимали низкие позиции по сравнению с другими овощными культурами. Огурцы занимают самое низкое место по калориям и тиамину, а арбуз — по белку и рибофлавину на килограмм.

Листья, стебли и верхушки огурцов употребляют в пищу в некоторых тропических странах. Зелень огурцов обычно содержит больше кальция, фосфора, аскорбиновой кислоты и железа, чем плоды, и может быть хорошим источником провитамина А. Листья различных культивируемых видов содержат до 4-6% белка, в то время как листья тыквы рифленой содержат почти 2% жира, а листья горькой тыквы содержат около 30 калорий на 100 г.

Проснувшись однажды утром после беспокойного сна, Грегор Замза обнаружил, что он у себя в постели превратился в страшное насекомое.

Форма плода и рисунок кожуры арбуза (Citrullus lanatus): золотистая кожура, пятнистая кожура и прерывистые полосы (первая колонка); серая кожура, узкие полосы, полосы средней ширины и широкие полосы (вторая колонка); светлая сплошная, средняя сплошная и темная сплошная кожура (третья колонка).

Химический состав

ТАБЛИЦЫ

Химический состав момордики кохинхинской (Momordica cochinchinensis), на 100 г съедобной части (Rahman, A.H.M.M. et al., J. Appl. Sci. Res., 4(5), 555, 2008):

  • вода — 80%;
  • белок — 2,1 г;
  • углеводы — 17,4 г;
  • энергетическая ценность — 80 кал;
  • витамины:
    • A — 125 IU;
    • тиамин — 0,08 мг;
    • рибофлавин — 0,06 мг.

Химический состав Trichosanthes dioica, на 100 г съедобной части (Rahman, A.H.M.M. et al., J. Appl. Sci. Res., 4(5), 555, 2008):

  • вода — 92%;
  • белок — 2 г;
  • жиры — 0,3 г;
  • пищевые волокна — 3 г;
  • углеводы — 4,2 г;
  • щавелевая кислота — 7 мг;
  • энергетическая ценность — 20 кал;
  • витамины:
    • A — 255 IU;
    • тиамин — 0,05 мг;
    • рибофлавин — 0,06 мг;
    • никотиновая кислота — 0,5 мг;
    • C — 29 мг;
  • минеральные вещества — 0,5 г:
    • кальций — 30 мг;
    • магний — 9 мг;
    • фосфор — 40 мг;
    • железо — 1,7 мг;
    • натрий — 2,6 мг;
    • калий — 83 мг;
    • медь — 1,11 мг;
    • сера — 17 мг;
    • хлор — 4 мг.

Содержание влаги и сухих веществ в плодах

Плоды большинства тыквенных культур имеют высокое содержание влаги. Жители пустыни Калахари в Африке и некоторых других засушливых районов употребляют арбузы в качестве источника воды. Содержание влаги в огурцах составляет 95%, что выше, чем у большинства других овощей, и они имеют низкую питательную ценность. Плоды восковой тыквы также отличаются высоким содержанием влаги и низким содержанием питательных веществ. Напротив, запеченный зимний сквош содержит меньше влаги (80-85%), чем большинство других приготовленных овощей.

Состав маринованных огурцов варьируется в зависимости от способа обработки. Укропные и кислые огурцы имеют низкую калорийность, в то время как сладкие огурцы и салат содержат больше калорий из-за добавления сахара при обработке. Огурцы, засоленные во время ферментации, имеют высокое содержание натрия.

Углеводы

Углеводы поступают в развивающийся плод из листьев в растворимой форме, часто в виде стахиозы, а не сахарозы, а затем сахара преобразуются в редуцирующие сахара (например, глюкозу и фруктозу). В дынях сахароза накапливается позже в процессе созревания, причем процентное содержание сахарозы увеличивается по мере созревания плодов (рис. 8.1). Сахара являются важными компонентами качества для кабачков, дынь, арбузов и многих других плодов бахчевых культур. Их содержание можно легко определить с помощью ручного рефрактометра. Дыни сорта Honeydew обычно имеют более высокое содержание сахара (10-16%), чем дыни группы Cantalupensis (8-14%). Дыни с длительным сроком хранения (LSL) и новые дыни с высоким содержанием сахара, включая дыни сорта Галия, имеют гораздо более высокое содержание растворимых сухих веществ. В сквоше стахиоза является исходным субстратом для биогенеза крахмала, и содержание растворимых сахаров остается низким до довольно позднего периода развития плода. Деградация крахмала сильно варьирует среди культивируемых растений, но, как правило, наиболее быстро происходит в желуде и позже в Cucurbita moschata. Преобразование крахмала, которое объясняет более высокое содержание сахара в старых плодах, продолжается в зрелых плодах при хранении (Culpepper and Moon, 1945). В африканской рогатой дыне содержание сахара увеличивается во время хранения плодов, но еще больше возрастает, если плодам дают созреть на лозе, достигая пика через 50 дней после опыления (Benzioni et al., 1993). Во время развития огурца содержание сахара (в основном глюкозы и фруктозы) следует сигмоидальной кривой; увеличение содержания сахара у партенокарпического сорта ‘Brilliant’ происходило быстро в течение первых 6 дней после цветения, а затем замедлялось, пока не достигло максимума к началу сенесценции (Davies and Kempton, 1976).

Среди видов сквоша C. maxima и C. moschata дают плоды с самым сильным вкусом, высоким содержанием сухого вещества и глубоким цветом мякоти. Поэтому они предпочтительны для коммерческого консервирования. Виды C. maxima, как правило, имеют более высокое содержание общего сухого вещества (около 12%), чем C. moschata (4,5-6%), но последние могут иметь более высокую урожайность. Еще одним соображением является то, что некоторые сорта C. maxima, такие как ‘Golden Delicious’, используются как для переработки, так и для кулинарных целей. Консистенция, важный фактор для консервирования, относится к жесткости переработанной мякоти, на которую в значительной степени влияет содержание крахмала и растворимых сухих веществ. Поскольку во время хранения фруктов увеличивается превращение крахмала в сахар, для переработки выбирают свежесобранные плоды.

Корни тыквы были подвергнуты питательному анализу и являются хорошим источником легкоусвояемого крахмала. Исследования корней тыквы буйвола показали, что содержание крахмала в сухом весе составляет 55%, а усвояемость — 41% при употреблении в сыром виде и 95% при приготовлении. После удаления кукурбитацинов путем фильтрации переработанный крахмал из тыквы буйвола сравним с кукурузным крахмалом в различных областях применения в пищевой промышленности (Gathman and Bemis, 1990).

Углеводный обмен

Углеводный обмен и его регуляция имеют центральное значение для роста и развития растений. Огурцы долгое время считались идеальным материалом для изучения углеводного обмена по ряду причин. Во-первых, огурцы синтезируют и переносят ассимиляты в основном в форме олигосахаридов семейства раффинозы (RFO). В результате механизмы загрузки, транслокации и разгрузки у огурцов в значительной степени отличаются от таковых у растений-транслокаторов сахарозы. Во-вторых, плоды огурцов относительно быстро растут. Некоторые виды тыквы показывают максимальный прирост сухого веса 1,71 г/ч во время роста (Crafts and Lorenz, 1944). Недавно (октябрь 2014 года) швейцарский фермер установил новый мировой рекорд, вырастив тыкву весом 953,5 кг. Эти данные свидетельствуют о том, что скорость массопереноса во флоэме огурцов довольно высока. В-третьих, длинные черешки и междоузлия стебля и относительно обильное выделение сока флоэмы из надрезанного стебля облегчают проведение исследований по радиолабированию, сбор и анализ образцов.

У огурцов RFO — это не только первичные транслоцированные ассимиляты, но и большое количество растворимых сахаров во всех частях растения, кроме незрелых семян и мясистых плодов (Schaffer et al., 1996). Путь синтеза и катаболизма этих галактозилсукроз (в основном стахиозы и раффинозы) хорошо установлен (Gross and Pharr, 1982; Handley et al., 1983a; Schaffer et al., 1987; Keller and Pharr, 1996; Dai et al., 2006), как показано на рисунках и 3.2.

Путь биосинтеза стахиозы и раффинозы в огурцах
Путь биосинтеза стахиозы и раффинозы в огурцах. 1, синтаза фосфата сахарозы (EC.2.4.1.14); 2, фосфатаза фосфата сахарозы (EC 3.1.3.17); 3, эпимераза UDP-глюкозы (EC 5.1.3.2); 4, синтаза галактинола (EC 2.4.1.123); 5, синтаза раффинозы (EC 2.4.1.82); 6, синтаза стахиозы (EC.2.4.1.67).
Путь катаболизма стахиозы и раффинозы у огурцов
Путь катаболизма стахиозы и раффинозы у огурцов. 1, α-галактозидаза (EC 3.2.1.22); 2, галактокиназа (EC 2.7.1.6); 3, UDP-галактоза пирофосфорилаза (EC 2.7.7.10); 4, UDP-глюкоза эпимераза (EC 5.1.3.2); 5, синтаза сахарозы (EC 2.4.1.13); 6, пирофосфорилаза UDP-глюкозы (EC 2.7.7.9).

Углеводный обмен во время прорастания семян

Огурцы накапливают липиды, белки, крахмал и растворимые сахара в зрелых семенах в качестве источников питания для прорастания. Липиды являются основным компонентом семян огурцов; в зрелых семенах огурца (Cucumis sativus) около 38% сухого веса составляют липиды (Pharr and Motomura, 1989). Уровень липидов может достигать примерно 50% от сухого веса в зрелых семенах арбуза (Citrullus vulgaris) и тыквы (Cucurbita pepo) (El-Adawy and Taha, 2001). Зрелые семена огурцов также богаты белком, уровень белка в зрелых семенах арбуза и тыквы составляет около 35% (EI-Adawy and Taha, 2001). В семенах огурцов имеется небольшое количество крахмала, содержание которого в семенах огурца составляет менее 1 мг/г (Handley et al., 1983b). Кроме того, семена огурцов содержат определенное количество глюкозы, сахарозы, раффинозы, стахиозы и вербаскозы (Handley et al., 1983a,b; Botha and Small, 1985; EI-Adawy and Taha, 2001).

Стахиоза является основным растворимым сахаром в зрелых семенах огурца. Стахиоза и раффиноза быстро потребляются в течение первых 36 ч после имбибиции, что сопровождается увеличением концентрации продукта их ферментативного распада — сахарозы (Handley et al., 1983b). α-Галактозидазы катализируют первый этап гидролиза RFO. В геноме огурца имеется шесть генов a-галактозидаз, три из которых являются кислотными, а три других — щелочными, на основании реакции их активности на pH (Yang, 2012). Автор обнаружил, что экспрессия мРНК всех шести генов постепенно увеличивалась в течение 5 дней после прорастания семян. Thomas и Webb (1978) также обнаружили, что активность двух кислых a-галактозидаз повышается, а уровень RFO быстро снижается в течение 48 ч после прорастания семян тыквы. Блохл и др. (2008) сообщили, что в семенах гороха (Pisum sativum) RFO расщепляются как кислой a-галактозидазой, так и щелочной a-галактозидазой вместе. Кислая a-галактозидаза преимущественно экспрессируется во время созревания семян и гидролизует RFO на ранней стадии прорастания, в то время как щелочная a-галактозидаза экспрессируется только на последней стадии прорастания семян. Неясно, сходен ли катаболизм RFO в семенах огурца с таковым в семенах гороха.

После 36 ч имбибиции липиды начали разрушаться в семенах огурца (Pharr and Motomura, 1989). Разрушение липидов в семенах арбуза происходило даже позже, чем в семенах огурца (Botha and Small, 1985), что указывает на важность растворимых сахаров в качестве начального энергетического субстрата на ранней стадии прорастания. Bhardwaj et al. (2012) сообщили о значительной активности протеазы и p-амилазы после 12 ч прорастания семян огурца, что говорит о том, что разложение белков и крахмала может происходить раньше, чем липидов. Pharr и Motomura (1989) наблюдали синтез крахмала в семенах огурца после 36 ч прорастания.

Галактинол синтаза является ключевым ферментом в пути биосинтеза RFO. Ее активность была необнаружима в семенах огурца в течение первых 36 ч после прорастания, а затем быстро возрастала в период с 36 по 60 ч. Уровень RFO поддерживался на стабильно низком уровне в течение последней стадии, что указывает на то, что RFO может ресинтезироваться в процессе катаболизма липидов и других крупных биологических молекул (Handley et al., 1983b; Pharr and Motomura, 1989). На этом этапе постепенно формируются сосудистые пучки в котиледонах к корням и растущей оси проростка, и ресинтезированные RFO могут транспортироваться по флоэме от котиледонов (источник) к корням или оси проростка (поглотитель) (Schaffer et al., 1996; Savage et al., 2013).

Ферменты в пути метаболизма липидов более чувствительны к стрессу низкого содержания кислорода, чем ферменты в пути метаболизма крахмала. В результате семена, хранящие липиды в качестве основного пищевого резерва (например, семена огурцов), более чувствительны к анаэробному стрессу, чем семена, содержащие преимущественно крахмал (Al-Ani et al., 1985). Таким образом, утилизация крахмала важна для прорастания семян в условиях низкого содержания кислорода. О торможении деградации липидов и улучшении утилизации легко метаболизируемых углеводов в условиях анаэробного стресса сообщали несколько исследовательских групп (Pharr and Motomura, 1989). Тодака и др. (2000) также обнаружили, что активность β-амилазы и уровень сахарозы в котиледонах огурца увеличились после водного стресса. Повышенный уровень растворимых сахаров может действовать как источник энергии и защитное средство. Предполагается, что отбор генотипов с высоким запасом крахмала в семенах может быть хорошей идеей для селекции новых сортов с высокой всхожестью в условиях абиотического стресса (Schaffer et al., 1996).

Углеводный обмен в листьях

Переход от поглощения к источнику

Молодые листья огурцов являются гетеротрофными органами, рост которых поддерживается за счет импорта растворимых углеводов из зрелых листьев. Turgeon и Webb (1975) указали, что лист C. pepo был впервые способен к чистой фиксации CO2 при 8%-ном разрастании, начал экспортировать избыточный фотосинтат, когда фаза быстрого снижения относительной скорости роста была почти завершена при примерно 45%-ном разрастании, и достиг максимальной скорости чистого фотосинтеза при 70%-ном разрастании. Как и у других двудольных растений, созревание (переход от поглотителя к источнику) листа огурца происходит в базипетальном направлении (Turgeon and Webb, 1973; Savage et al., 2013). Импорт ассимилятов в верхушку листовой пластинки листьев C. pepo прекращается, когда лопасть расширена на 10%, в то время как основание листа в это время все еще нуждается в поставках ассимилятов. В результате сахара, экспортируемые из верхушки листа, перераспределяются в менее зрелую основу листа в этот период, задерживая экспорт из листовой пластинки до тех пор, пока лопасть не расширится на 35% (Turgeon and Webb, 1973). Во время перехода от раковины к источнику может быть короткий период, когда ассимиляты одновременно движутся к листу по адаксиальной флоэме и от листа по абаксиальной флоэме (Peterson and Currier, 1969). Кроме того, потеря импортной способности черешка происходит также базипетально и дорсовентрально (Turgeon and Webb, 1973).

Переход листьев огурца от поглотителя к источнику включает сложные анатомические изменения. Во-первых, при расширении листа увеличиваются межклеточные воздушные пространства, что значительно усиливает диффузию и фиксацию CO2. Во-вторых, по мере роста листа огурца происходит постепенное созревание жилок от самых крупных к самым мелким элементам, и начало экспорта сахара совпадает с созреванием абаксиальной флоэмы мелких жилок (Turgeon and Webb, 1976).

Изменения в уровне растворимых углеводов наблюдались во время развития листьев. В огурце концентрация сахарозы и раффинозы уменьшается, а концентрация галактинола и стахиозы увеличивается во время расширения листьев (Pharr and Sox, 1984). В зрелых листьях огурца стахиоза является наиболее богатым растворимым углеводом (Pharr and Sox, 1984). Сукроза синтезируется на всех стадиях развития, тогда как первый заметный синтез раффинозы и стахиозы совпадает с началом экспорта ассимилятов из верхушки листа (Turgeon and Webb, 1975). Пул раффинозы в листьях раковины образуется в результате деградации импортированной стахиозы, а не синтеза in situ (Turgeon and Webb, 1975).

Изменения активности ферментов, участвующих в деградации и синтезе стахиозы, играют важную роль во время перехода листьев от поглотителя к источнику. Функция кислой a-галактозидазы во время развития листьев неясна. Thomas и Webb (1978) и Smart и Pharr (1980) указали на отсутствие значительной корреляции между активностью кислой a-галактозидазы и развитием листьев огурца и тыквы. Однако Pharr и Sox (1984) обнаружили, что активность кислой a-галактозидазы снижается во время развития листьев. Все больше доказательств подтверждают, что щелочная α-галактозидаза участвует в катаболизме RFO, импортируемых из флоэмы в листья раковины (Gaudreault and Webb, 1982, 1986; Pharr and Sox, 1984). Они обнаружили, что активность щелочной a-галактозидазы высока в молодых листьях и снижается по мере разрастания листьев. Yang (2012) сообщил, что уровень мРНК щелочной a-галактозидазы 1 огурца (AGA1, номер доступа Genbank DQ157703) положительно коррелировал с активностью щелочной a-галактозидазы во время развития листьев, что указывает на то, что AGA1 может играть роль в разгрузке RFO в молодых листьях огурца. С другой стороны, активность галактинол-синтазы увеличивается во время роста листьев, что совпадает с увеличением накопления стахиозы в созревающих листьях тыквы (Pharr and Sox, 1984).

Заполнение флоэм

Сосудистая анатомия листа огурца оказывает глубокое влияние на загрузку ассимилятов, и приведенное ниже описание основано главным образом на исследованиях Turgeon et al. (1975) и Schmitz et al. (1987). У огурцов жилки в зрелых листьях всегда классифицируются на семь порядков, среди которых жилки 1-3 порядков определяются как главные, а жилки 4-7 порядков — как второстепенные, в зависимости от того, содержат ли они промежуточные клетки. Загрузка фотосинтатом зрелых листьев происходит на второстепенных жилках. Жилки в листьях огурца биколлатеральны, включая даже жилки 7-го порядка. В этих самых маленьких жилках адаксиальная флоэма и абаксиальная флоэма разделены одной-двумя трахеидными клетками и клеткой паренхимы. Вся мелкая жилка ограничена одним слоем клеток пучковой оболочки. Ареолы разграничены мелкими жилками, однако расстояние между любой клеткой мезофилла и следующей жилкой не превышает трех-четырех диаметров клетки.

Поперечный разрез через мелкую жилку Cucumis melo. S - ситовидный элемент; I - промежуточная клетка; P - клетка паренхимы; C - клетка-компаньон; T - трахеида. Обратите внимание на большое количество плазмодесм (▴) в общей стенке между промежуточными клетками и клетками мезофилла (М). (Schmitz, K. et al., Planta, 171, 19, 1987)

Адаксиальная флоэма в самой маленькой жилке состоит из одного ситовидного элемента и одной клетки-компаньона, причем адаксиальные ситовидные элементы примерно равны по диаметру своим клеткам-компаньонам. Эти клетки-компаньоны имеют типичные характеристики обычных клеток-компаньонов, то есть центральную вакуоль, окруженную плотным слоем цитоплазмы, которые называются обычными клетками-компаньонами. В адаксиальной флоэме связь плазмодесм наблюдается между клеткой-компаньоном и ситовидным элементом, но не между клеткой-компаньоном или ситовидным элементом и клетками пучковой оболочки.

Абаксиальная флоэма в самых маленьких жилках состоит из одного — двух ситовидных элементов и двух — четырех клеток-компаньонов. Абаксиальная клетка-компаньон является специализированной, имеет плотную цитоплазму и содержит многочисленные митохондрии и небольшие везикулы, которые называются промежуточной клеткой. Соседние клеточные стенки промежуточных клеток и клеток пучкового влагалища пересекаются многочисленными плазмодесмами, которые располагаются скоплениями в больших полях ямок. Плазмодесмы сильно разветвлены, причем на стороне промежуточной клетки их больше, чем на стороне пучкового влагалища. В абаксиальной части флоэмы промежуточная клетка намного больше ситовидного элемента, который меньше ситовидного элемента в адаксиальной части. Существует также обширный симпластический контакт между промежуточными клетками и ситовидными элементами; эти плазмодесмы также разветвлены со стороны промежуточной клетки.

Большое количество свидетельств указывает на то, что загрузка флоэмы огурцов происходит симпластическим путем в абаксиальной флоэме мелких жилок. Имеется большое количество плазмодесм, соединяющих промежуточные клетки с соседними клетками пучкового влагалища и промежуточные клетки с ситовидными элементами. Turgeon и Hepler (1989) провели исследования по связыванию красителя, чтобы определить, открыты ли плазмодесмы между промежуточными клетками и клетками оболочки пучка в мелких жилках зрелых листьев C. pepo для прохождения низкомолекулярных соединений, и результаты показали, что краситель может распространяться от одной промежуточной клетки к другой и от промежуточных клеток к клеткам оболочки пучка и мезофилла. Авторадиограммы также показали, что абаксиальная флоэма мелких жилок отвечает за экспорт углерода из зрелых листьев Cucumis melo (Schmitz et al., 1987). Авторы также обнаружили, что высвобождение 14C в апопласт листа было незначительным, а PCMBS (ингибитор транспортера сахарозы) лишь незначительно снижал экспорт 14C. Несколько исследований позволили предположить, что синтаза стахиозы находится в промежуточных клетках и там же синтезируются раффиноза и стахиоза для дальней транслокации (Holthaus and Schmitz, 1991a,b). Кроме того, концентрация раффинозы и стахиозы в промежуточных клетках значительно выше, чем в клетках мезофилла (Schmitz and Holthaus, 1986; Holthaus and Schmitz, 1991b; Beebe and Turgeon, 1992; Haritatos et al., 1996). Основываясь на результатах, упомянутых ранее, и данных исследований других видов, транспортирующих RFO, Turgeon (1991) предложил процесс загрузки флоэмы, известный как захват полимера. Согласно этой модели, сахароза из мезофилла диффундирует в оболочку пучка, а затем в промежуточные клетки и преобразуется в раффинозу и стахиозу. Эти RFO слишком велики, чтобы диффундировать обратно в пучковый влагалище и мезофилл через плазмодесмы промежуточных клеток. В результате они накапливаются в промежуточной клетке до высоких концентраций. Далее они диффундируют в ситовидный элемент для транслокации на большие расстояния.

В более низких (крупных) венах количество комплекса SE-CC увеличивается. Только те клетки-компаньоны, которые имеют прямой контакт с клетками пучковой оболочки, специализированы как промежуточные клетки; остальные остаются обычными клетками-компаньонами. Считается, что эти жилки (6-4) отвечают как за погрузку, так и за транспорт, в то время как жилки порядков 1-3 могут быть вовлечены в основном в дальний транспорт (Schmitz et al., 1987).

В растительном царстве существуют три пути загрузки флоэмы: симпластический и пассивный, симпластический с последующим захватом полимера и транспортный через апопласт (Rennie and Turgeon, 2009). Отдельные виды всегда используют несколько стратегий загрузки, как мы видели на примере огурцов (Slewinski et al., 2013). Если принять во внимание компартментацию (цитозоль составляет всего 5% от объема клеток мезофилла), уровень сахарозы выше в клетках мезофилла, чем в промежуточных клетках (Haritatos et al., 1996). Таким образом, сахароза может быть загружена симпластическим и пассивным путем. Кроме того, сахароза могла загружаться в адаксиальную флоэму мелких жилок апопластическим путем. Это может объяснить, почему уровень сахарозы в соке флоэмы выше, чем в комплексе ситовидных элементов и промежуточных клеток (Haritatos et al., 1996). Экспериментальные данные, полученные при инфицировании CMV C. melo, подтверждают эту точку зрения (Shalitin and Wolf, 2000; Gil et al., 2011, 2012). Авторы обнаружили, что CMV-инфекция увеличивает соотношение сахароза-стахиоза в соке флоэмы C. melo. Дальнейшие исследования показали, что за это увеличение отвечает усиление экспрессии и активности транспортера сахарозы. Кроме того, в этом случае загрузка флоэмы ингибировалась ингибитором транспортера сахарозы PCMBS.

Физиологическое значение индуцированного CMV количественного сдвига от симпластной к апопластной загрузке флоэмы не ясно. Предполагается, что растение частично закрыло симпластический путь загрузки, чтобы предотвратить попадание CMV во флоэму, и улучшило апопластический путь загрузки, чтобы обеспечить достаточное поступление ассимилятов.

Транспортирование на большие расстояния

У огурцов существует два различных типа флоэмы: фасцикулярная флоэма (FP) и экстрафасцикулярная флоэма (EFP). FP является биколлатеральной и представлена в сосудистых пучках по обе стороны ксилемы (так называемая внутренняя FP и внешняя FP, соответственно). EFP существует вне пучков и состоит из периферических ситовидных трубок, расположенных по краю сосудистых пучков, энтоциклических ситовидных трубок непосредственно внутри кольца склеренхимы и латерально ориентированных комиссуральных ситовидных трубок, соединяющих энтоциклические ситовидные трубки, периферические ситовидные трубки и фасцикулярные ситовидные трубки друг с другом. EFP также включает продольные эктоциклические ситовидные трубки, расположенные вне склеренхимного кольца (Crafts, 1932; Zhang et al., 2012).

После загрузки в малой жилке ассимиляты поступают в флоэму для транслокации на большие расстояния. Плоды огурцов обычно растут быстро (некоторые гигантские тыквы, вероятно, имеют самые быстрорастущие плоды в растительном царстве), что указывает на то, что скорость массового потока во флоэме у этих растений довольно высока. Данные, полученные как при измерении увеличения массы плода, так и в эксперименте по маркировке 14C, свидетельствуют о том, что скорость транслокации ассимилятов у огурцов составляет от 55 до 160 см/ч (Crafts and Lorenz, 1944; Schaffer et al., 1996). Факторы окружающей среды, включая свет, температуру и концентрацию CO2, сильно влияют на скорость транслокации ассимилятов, либо изменяя количество сухого вещества, доступного для транспортировки, либо непосредственно влияя на скорость потока во флоэме. Несколько отчетов были посвящены негативному влиянию низкой температуры на транслокацию ассимилятов во флоэме огурцов (Murakami and Inayama, 1974; Toki et al., 1978; Kanahamam and Hori, 1980). В типичной китайской энергосберегающей солнечной теплице температура днем может достигать 30°C и выше, а ночью опускаться до 12 °C или даже ниже. Таким образом, низкая скорость транслокации фотоассимилятов от источника к поглотителю при низкой ночной температуре становится одним из ключевых ограничений производства огурцов в этих теплицах зимой, и сорта с относительно высокой скоростью транслокации ассимилятов при низкой ночной температуре были целью китайских селекционеров огурцов (Miao et al., 2009). С другой стороны, Мацумото и др. (2012) сообщили, что обогрев плодоносящих побегов вблизи плодов способствует накоплению сахара в плодах дыни.

Стахиоза, сахароза и раффиноза являются основными сахарами, транслоцируемыми во флоэму огурцов (Weidner, 1964; Pharr et al., 1977; Richardson et al., 1982, 1984; Mitchell et al., 1992). Трудно отобрать «чистый» экссудат флоэмы у растений огурца и измерить точную концентрацию сахара, поскольку жидкость всегда загрязнена соседними клетками паренхимы и разбавлена соком ксилемы (Zhang et al., 2012). Микродиссекция тканей ФП из сублимированного стебля является более точным методом, чем срез стебля для отбора проб сока флоэмы. Используя этот метод, Zhang et al. (2010) обнаружили, что общее содержание сахара составляет около 1 М в FP, что согласуется с другими видами и измерениями в клетках листьев огурца. Однако концентрация сахара в EFP намного ниже, чем в FP, что указывает на то, что FP в основном отвечает за транспорт ассимилятов (Zhang et al., 2010). Если экссудат собирается с надрезанного стебля или черешка, следует помнить, что существует два типа огурцов; первая группа включает тыкву (Cucurbita maxima) и цуккини (C. pepo), экссудат которых происходит в основном из EFP, а вторая группа включает огурец, арбуз, горькое яблоко (Citrullus colocynthis), люффу (Luffa acutangula), калабаш (Lagenaria siceraria) и зимнюю дыню (Benincasa hispida), экссудат которых происходит в основном из ФП (Slewinski и др, 2013). Существенной разницы в содержании сахара между внешними и внутренними FP нет, что позволяет предположить, что они могут обладать сходной способностью к транслокации сахара (Zhang et al., 2010).
Состав флоэмного сока огурца меняется при различных условиях окружающей среды или во время развития растения. Митчелл и Мадор (1992) обнаружили, что охлаждение при 10 °C в течение 72 ч вызвало общее увеличение содержания стахиозы, раффинозы и сахарозы в флоэмном соке дыни. Сообщалось, что некоторые абиотические (высокая температура) или биотические (инфекция CMV) стрессы могут увеличить соотношение сахарозы и RFO в соке флоэмы дыни (Shalitin and Wolf, 2000; Gil et al., 2012). Суточный ритм содержания сахара в соке флоэмы был изучен у нескольких огурцов. Митчелл и др. (1992) обнаружили, что уровни стахиозы, раффинозы и сахарозы в соке флоэмы дыни увеличиваются утром и ранним вечером. Jiang et al. (2006) сообщили, что концентрация стахиозы достигает максимального уровня в 16:00, в то время как уровни других сахаров не имеют четких суточных закономерностей. Кроме того, согласно данным Hu et al. (2009), общий уровень растворимых сахаров в соке флоэмы огурца постепенно увеличивался во время развития плодов огурца, причем уровень раффинозы увеличивался меньше, чем уровень стахиозы и сахарозы.

В изменении состава флоэмного сока огурцов могут быть задействованы два механизма. Во-первых, некоторые факторы окружающей среды могут изменять пути загрузки. Типичный пример — инфекция CMV, вызвавшая активацию транспортера сахарозы в мелких жилках дыни, что привело к количественному сдвигу от симпластной загрузки к апопластной и увеличению соотношения сахарозы и стахиозы в соке флоэмы (Gil et al., 2011; Slewinski et al., 2013). Во-вторых, растворители обмениваются между флоэмой и окружающими тканями, и несбалансированный обмен некоторых растворителей может привести к изменению состава флоэмного сока во время транслокации на большие расстояния. Ричардсон и др. (1982) предположили, что концентрация моносахаридов выше в соке флоэмы, отобранном вблизи тканей поглотителя, чем в листьях. Ayre et al. (2003) предположили, что у Coleus blumei (RFO-транспортирующий вид) сахароза вытекает из симпласта флоэмы и извлекается транспортерами с одинаковой скоростью. В результате концентрация сахарозы остается неизменной во время транспортировки. Галактинол также просачивается из флоэмы, но не извлекается, и в конечном итоге истощается из потока транслокации. Утечка RFO минимальна, и он может быть эффективно транспортирован в ткани поглотителя. Авторы указали, что одним из преимуществ транспортировки RFO является уменьшение утечки растворителей при транспортировке на большие расстояния и, следовательно, повышение эффективности транслокации.

Распределение ассимилятов

У огуречных растений более старый плод получает более высокий приоритет в получении ассимилятов по сравнению с молодым плодом, что известно как «ингибирование первого плода» (McCollum, 1934; Schaffer et al., 1996). Этот ингибирующий эффект может способствовать механизму получения растениями огурца зрелых плодов и семян за более короткий период, когда общее предложение ассимилятов ограничено. Однако при выращивании огурцов такая ограниченная одновременная закладка плодов значительно снижает урожайность, особенно в системах однократной уборки (Ramirez and Wehner, 1984).

Ограничение ассимилятов является очевидным объяснением этого ингибирующего эффекта. В целом, плод является сильным поглотителем ассимилятов. Несколько листьев выступают в качестве основных поставщиков ассимилятов для отдельных плодов. Когда поступление ассимилятов ограничено, конкуренция между плодами приводит к их опаданию, особенно плодов с более поздней закладкой (Ho, 1992). Эллс (1983) заметил, что между успешно растущими плодами на растениях огурца обычно находится 9-10 листовых узлов, что говорит о том, что для роста отдельного плода могут одновременно требоваться ассимиляты примерно из 10 листьев. В период быстрого роста для транспортировки ассимилятов к отдельному плоду ежедневно требуется около 3300-3400 мг ассимилятов (Schapendonk and Challa, 1980; Pharr et al., 1985), в то время как листья могут обеспечить не более 225 мг ассимилятов/дм2 в течение 11-часового фотопериода (Pharr et al., 1985). Согласно средней площади листовой пластинки, можно рассчитать сбалансированное соотношение источника и поглотителя между примерно 9-10 листьями и одним плодом. У дынных растений для роста одного плода требовались ассимиляты из шести листьев (Hughes et al., 1983). В целом, плоды склонны усваивать фотосинтез из более близких листьев (Hughes et al., 1983; Shishido et al., 1992). Однако Zhang et al. (2015) обнаружили, что у растений огурца, завязывающих два плода, ассимиляты из меченных 14C листьев, как правило, перемещались к первому плоду, хотя эти листья были ближе ко второму плоду. У растений арбуза верхние листья узла завязывания плодов были более важны для роста плодов, чем нижние листья узла завязывания плодов (Lee et al., 2000).

Другим возможным фактором, вовлеченным в ограниченное одновременное плодоношение растений огурца, является уровень растительных гормонов. Сообщалось, что применение некоторых регуляторов роста растений, таких как хлорфлуренол или 6-бензил-аминопурин (BA), может преодолеть эффект ингибирования, вызванный ранней закладкой плодов (Cantliffe, 1976; Baniel et al., 2008; Zhang et al., 2015). Schapendonk и Brouwer (1984) также отметили, что ограничение поступления ассимилятов путем дефолиации приводило к снижению скорости роста плодов, а не к аборту, что указывает на то, что в конкуренции за рост между плодами могут участвовать другие факторы. Zhang et al. (2015) показали, что у растения огурца с двумя плодами уровни сахарозы и трегалозо-6-фосфата (T6P) в цветоносе первого плода выше, чем во втором плоде, а активность сахарозо-неферментирующей 1-родственной киназы 1 [SnRK1] в цветоносе первого плода ниже, чем во втором плоде с 0 до 8 дней после антеза. Скорость роста и поглотительная активность второго плода увеличивались при удалении первого плода или обработке его BA по сравнению с увеличением уровня сахарозы и T6P и снижением активности SnRK1 в цветоносе. Кроме того, уровень мРНК CsAGA1 в каллусах огурца был повышен при обработке экзогенной трегалозой. Эти результаты позволили предположить, что T6P- и SnRK1-опосредованная сигнализация участвует в регуляции ингибирования первого плода огурца.

Конкуренция за рост существует не только между плодами на одном и том же растении, но и между плодами и вегетативными тканями, а также между различными вегетативными тканями в растениях без плодов. У плодоносящих растений плод является самым сильным поглотителем. По сравнению с вегетирующими растениями, рост молодых листьев, черешков, стеблей и корней у плодоносящих растений значительно подавлен (Pharr et al., 1985). Влияние плодоношения на рост корней было больше, чем на рост надземных вегетативных частей у огурца (Marcelis, 1994). В вегетирующих растениях у дыни фотоассимиляты сначала транслоцировались в корень (Schmitz et al., 1987), а у тыквы молодые листья и побеги проростков были регионами, наиболее активно импортирующими ассимиляты (Webb and Gorham, 1964). У растений огурца без плодов скорость распределения 14CO2 в плодах, стеблях, корнях и листьях составляла 90%, 5%, 3% и 2% соответственно; у вегетирующих растений огурца 14CO2 в основном распределялся в стеблях (Choi et al., 1997). Robbins и Pharr (1988) изучали влияние ограниченного роста корней на углеводный обмен листьев. Результаты показали, что снижение потребности в поглотителях, вызванное ограничением роста корней, может привести к повышению концентрации крахмала и снижению биосинтеза стахиозы (на что указывает снижение активности галактинол-синтазы) в исходных листьях огурца.

По сравнению с вегетирующими растениями, скорость углеродного обмена была выше у растений, плодоносящих (Marcelis, 1991). Pharr et al. (1985) предположили, что скорость углеродного обмена, скорость экспорта углерода, скорость накопления крахмала днем и скорость деградации крахмала ночью были выше у растений с плодами, чем у растений без плодов. Более высокая скорость экспорта углерода часто сопровождается более высокой активностью синтазы стахиозы в листьях, но не имеет отношения к синтазе фосфата сахарозы (SPS) и синтазе галактинола (Pharr et al., 1985; Holthaus and Schmitz, 1991b; Miao et al., 2003), в то время как концентрация галактинола в вегетирующих растениях значительно выше, чем в плодоносящих (Pharr et al., 1985; Miao et al., 2003). Дополнительная нагрузка на плоды не увеличила скорость фотосинтеза и скорость распределения ассимилятов между плодами, что еще раз подтверждает, что между плодами существует конкуренция за ассимиляты (Marcelis, 1991). Обрезка черешка оказывала аналогичное влияние на фотосинтез листьев, удаляя плоды (Mayoral et al., 1985).
Суточные колебания скорости экспорта ассимилятов у огурца изучались несколькими исследовательскими группами. Некоторые исследователи предположили, что скорость экспорта ассимилятов выше в дневное время (Verkleij и Baan Hofman-Eijer, 1988; Verkleij и Challa, 1988). Однако Токи и др. (1978) сообщили, что фотоассимиляты в основном экспортируются из листьев ранним вечером. На основании этих данных авторы предположили, что для облегчения экспорта углерода следует поддерживать более высокую температуру в течение ранней ночи, в то время как относительно более низкая температура в течение поздней ночи полезна для снижения дыхания. Miao и др. (2009) обнаружили, что в условиях 28 °C/22 °C (день/ночь) плоды огурца быстро росли днем и ранней ночью и медленно поздней ночью и утром, тогда как в условиях 28 °C/12 °C рост плодов ночью значительно сократился, что указывает на то, что экспорт углерода из листьев подавляется низкой температурой. Verkleij и Baan Hofman-Eijer (1988) сообщили, что в условиях короткого дня накопление сухого вещества и увеличение объема плодов огурца происходило вне фазы в течение суточного цикла. Большая часть ассимилятов экспортировалась в плод в течение 8-часового светового периода, в то время как около 70% роста плода происходило в течение 16-часового темного периода. Этот вывод был подтвержден в нашем исследовании при аналогичных условиях (Miao et al., 2009).

Удаление ветвей, подрезка плодов и прореживание плодов являются распространенными методами манипулирования соотношением источников света при выращивании огурцов. Прореживание плодов обычно проводится при выращивании огурцов с крупными плодами, таких как дыня, арбуз и тыква, поскольку между плодами этих растений существует сильная конкуренция (Long et al., 2004). Помимо плодов, побег рассады является еще одним сильным поглотителем в растении огурца. Так, нижние части ботвы всегда накапливают больше ассимилятов, чем нижние части не ботвы (Lee et al., 2000). Парк и др. (2002) продемонстрировали, что по сравнению с одностебельными растениями, не более четырех дополнительных боковых побегов поставляли больше ассимилятов к корням, стимулируя активность корней и рост корней гидропонически выращенных растений огурца. Кроме того, сообщалось, что растения склонны накапливать больше ассимилятов в корнях в условиях умеренного дефицита питательных веществ (Ciereszk et al., 1996; Hermans et al., 2006). Хотя в этой области проводится мало исследований на растениях огурцов, мы наблюдали подобное явление при выращивании огурцов.

Выгрузка из флоэмы

Понимание анатомии сосудов плодоножки и плода полезно для раскрытия механизма разгрузки у огурцов. Сосудистая сеть огурца и дыни была описана несколькими исследовательскими группами (Barber, 1909; Judson, 1929; Kanahama and Saito, 1987; Masuko et al., 1989). В основном, в цветоножке имеется 10 основных пучков. Эти пучки уходят в плод, далее разветвляются и анастомозируют, уходят внутрь плаценты и наружу к эпидермису. Помимо основных сосудистых пучков в плоде также имеется анастомозирующая мелкая сосудистая система.

a-Галактозидаза является начальным ферментом в метаболическом пути стахиозы и раффинозы. Растительные a-галактозидазы можно разделить на две группы, кислую и щелочную, на основании их реакции активности на pH. Существует отрицательная корреляция между активностью щелочной a-галактозидазы и уровнем стахиозы в цветоносах огурца, что указывает на то, что щелочная активность отвечает за гидролиз стахиозы (Pharr and Hubbard, 1994), а не кислотная. Ирвинг и др. (1997) также обнаружили, что активность щелочной a-галактозидазы была выше активности кислотной в плодах Cucurbita maxima в период антезиса. В геноме дыни были идентифицированы два гена щелочной a-галактозидазы, а именно CmAGA1 (AY114164) и CmAGA2 (AY114165) (Carmi et al., 2003). CmAGA2 был относительно специфичен для стахиозы, тогда как CmAGA1 проявлял значительную активность в отношении как стахиозы, так и раффинозы. Активность фермента CmAGA1 увеличивалась на ранних стадиях развития завязи дыни и завязывания плодов, в то время как активность фермента CmAGA2 в этот период снижалась. На основании этих данных предположили, что CmAGA1 может играть ключевую роль в разгрузке ассимилятов дыни (Gao et al., 1999; Gao and Schaffer, 1999; Carmi et al., 2003). Однако приведенные здесь данные не исключают роли кислой a-галактозидазы в катаболизме RFO во время разгрузки раковины у растений огурца.

Существует два мнения о том, где происходит метаболизм RFO до сахарозы, когда они достигают плодовой раковины. Некоторые исследователи считают, что катаболизм RFO до сахарозы происходит в плодоножке. Существует несколько доказательств, подтверждающих эту точку зрения:

  1. В плодах было обнаружено незначительное количество RFO (Pharr et al., 1977; Gross and Pharr, 1982; Handley et al., 1983b; Hughes and Yamaguchi, 1983).
  2. Значительная активность ферментов, ответственных за катаболизм RFO, таких как α-галактозидаза, синтаза сахарозы (SS, синтетическая активность), SPS и UDP-галактоза пирофосфорилаза, существовала в плодоножке (Smart and Pharr, 1981; Gross and Pharr, 1982; Burger and Schaffer, 1991).
  3. Соотношение RFO и сахарозы в цветоносе было ниже, чем в черешке и стебле, что указывает на то, что RFO гидролизуются до сахарозы в цветоносе (Ohkawa et al., 2010).

Однако другие исследователи предположили, что RFO транслоцируются в плод и быстро метаболизируются до сахарозы. Доказательства, подтверждающие эту точку зрения, следующие:

  1. RFO действительно существуют в плодах огурца, хотя их уровень довольно низок (Hubbard et al., 1989; Chrost and Schmitz, 1997; Irving et al., 1997; Kim et al., 2007; Hu et al., 2009). Кроме того, экссудат из главных пучков плода содержал стахиозу в качестве основного сахара (Pharr and Hubbard, 1994; Schaffer et al., 1996).
  2. В плодах огурца была обнаружена значительная активность щелочной a-галактозидазы и других ферментов метаболизма RFO (Pharr and Hubbard, 1994; Schaffer et al., 1996; Chrost and Schmitz, 1997; Irving et al., 1997; Gao and Schaffer, 1999; Carmi et al., 2003; Dai et al., 2006).
  3. Состав сахара в экссудате флоэмы, собранном с цветоносов, срезанных возле стебля или плода бахчевого растения, был идентичным, что указывает на транслокацию RFO в плоды огурца (Chrost and Schmitz, 1997).

Недавно мы изучили сосудистый экссудат из цветоножек и плодов огурца. Мы срезали цветоножки и плоды от конца стебля до конца плода, собирали и анализировали экссудат с каждой поверхности среза (со стороны растения). Результаты показали, что уровень RFO в экссудате постепенно снижался от конца стебля к концу плода, что указывает на то, что RFO были гидролизованы по всей главной сосудистой сети вдоль цветоножки и плода (дата неопубликована). Кроме того, в цветоносах дыни сахароза и гексозы преобладали до 18-го дня после антеза, в то время как с 25-го дня после антеза RFO увеличивались до зрелости плода (Chrost and Schmitz, 1997), что указывает на то, что место катаболизма RFO может меняться от цветоноса к плоду во время развития плода.

Hu et al. (2011) сообщили, что комплекс ситовидных элементов-компаньонных клеток (SE-CC) главных пучков в плодах огурца, по-видимому, симплазматически ограничен, и в комплексе SE-CC расположены инвертаза клеточной стенки и транспортер сахарозы. Авторы пришли к выводу, что путь разгрузки флоэмы в плодах огурца является апоплазматическим. Кроме того, RFO отсутствовали в тканях, непосредственно прилегающих к главным пучкам, что указывает на то, что метаболизм RFO ограничен областью главной сосудистой сети (Schaffer et al., 1996). Cheng et al. (2015) клонировали три гена транспортера гексозы огурца, среди которых белок CsHT3 расположен на плазматической мембране, а уровень его экспрессии увеличивался в цветоносах и тканях плода вместе с увеличением плода огурца, что говорит о том, что CsHT3, вероятно, играет важную роль в апопластической разгрузке флоэмы плода огурца. Если апоплазматический путь разгрузки верен, то кислые а-галактозидазы клеточной стенки должны отвечать за гидролиз RFO, когда они переносятся в свободное пространство вокруг комплекса SE-CC. Однако существует множество доказательств того, что щелочная а-галактозидаза играет важную роль в процессе выгрузки RFO (Pharr and Hubbard, 1994; Irving et al., 1997; Gao et al., 1999; Gao and Schaffer, 1999; Carmi et al., 2003). Еще одна загадка — почему RFO не могут симплазматически диффундировать из главных сосудов в анастомозирующие мелкие жилки по всему плоду. Таким образом, для выяснения полного механизма выгрузки ассимилятов у огурцов еще многое предстоит изучить.

Мало что известно о том, как ассимиляты выгружаются в побегах проростков, молодых листьях и корнях огурцов. Активность щелочной a-галактозидазы выше, чем кислой a-галактозидазы в незрелых листьях огурца (Pharr and Sox, 1984). Более того, активность щелочной a-галактозидазы выше в незрелых листьях и корнях, чем в зрелых листьях (Gaudreault and Webb, 1982, 1986). Эти результаты показали, что RFO может транслоцироваться в незрелые листья или корни симплазматически, а затем гидролизоваться щелочными a-галактозидазами.

Углеводный обмен в плодах

Размер плодов у огуречных растений значительно варьируется. Окончательный размер плода зависит от того, как быстро и как долго он растет. Однако Синнотт (1945) считает, что размер плодов огурца в основном зависит от продолжительности роста; скорость роста играет незначительную роль. Характер роста большинства плодов огурца в целом повторяет S-образную кривую (Sinnott, 1945). Среди плодов семейства Cucurbitaceae, огурец, дыня, арбуз и тыква особенно важны с точки зрения их экономической ценности. В результате, большинство исследований углеводного обмена плодов огурцов сосредоточено на этих четырех видах.

Огурец

Глюкоза и фруктоза являются основными растворимыми сахарами в плодах огурца (6-12 мг/г сырого веса), а уровень сахарозы низок (около 0,5 мг/г сырого веса) (Handley et al., 1983b; Schaffer et al., 1987). Хотя в молодых плодах было обнаружено несколько RFO, в зрелых плодах огурца было обнаружено мало RFO (Pharr et al., 1977; Handley et al., 1983b). Однако Hu et al. (2009) обнаружили, что RFO могут быть обнаружены в плодах огурца через 20 дней после антезиса, которые составляют 2,51% от общего количества растворимых сахаров. Аналогичные результаты были получены Wang (2014). Различные результаты могут быть обусловлены тем, что они использовали разные сорта или отбирали пробы разных частей плода. Handley и др. (1983b) использовали сорт огурцов для маринования, в то время как Hu и др. (2009) и Wang (2014) использовали сорта огурцов северокитайского типа. Кроме того, ткани плодов, содержащие крупные жилки, могут иметь относительно более высокие уровни RFO. Кроме того, Пачарея и др. (2011) наблюдали крахмальные зерна в мезокарпе огурца. Содержание крахмала в плодах огурца колебалось от 1 до 7 мг/г сырого веса (Schaffer et al., 1987; Hu et al., 2009).

Закономерности колебания уровня углеводов во время развития плодов огурца изучались несколькими группами. Handley et al. (1983b) и Schaffer et al. (1987) предположили, что содержание глюкозы, фруктозы, сахарозы и крахмала в плодах огурца почти не меняется в течение развития. Однако Ху и др. (2009) сообщили, что содержание глюкозы и фруктозы увеличивалось в плодах огурца с момента завязи до 20 дней после завязи, в то время как уровни сахарозы, стахиозы, раффинозы и крахмала снижались в течение этого периода. Различные результаты могут быть обусловлены тем, что они использовали разные сорта или наблюдали разные стадии развития.

Мало что известно о суточной структуре углеводов в плодах огурца. Jiang (2006) сообщил, что уровни глюкозы и фруктозы были низкими в период 10:00-13:00 и имели пиковое значение в 16:00, в то время как уровни сахарозы и крахмала оставались стабильными в течение фотопериода. Колебания уровня гексозы должны быть вызваны суточными изменениями как танслокации ассимилятов в плоды, так и потребления углерода при дыхании и росте плодов, и на них в значительной степени влияет окружающая среда.
Во время развития плодов огурца наблюдалась значительная активность кислой инвертазы и СС (направление расщепления), и активность ферментов, разрушающих сахарозу, всегда была выше, чем активность ферментов, синтезирующих сахарозу, в тканях мезокарпа (Schaffer et al., 1987; Hu et al., 2009). Эти данные могут объяснить, почему уровни глюкозы и фруктозы намного выше, чем сахарозы в плодах огурца. Активность синтазы раффинозы и синтазы стахиозы также была обнаружена в плодах огурца (Hu et al., 2009; Sui et al., 2012), что указывает на возможный основной синтез RFO в тканях мезокарпа.

Вклад фотосинтеза зеленых плодов огурца в накопление сухого вещества нельзя игнорировать. Количество фиксированного углерода плодом огурца примерно равно потреблению его дыханием (Todd et al., 1961). Marcelis и Baan Hofman-Eijer (1994) сообщили, что фотосинтетический вклад плодов огурца в накопление ими углерода составляет около 1%-5%. Очевидно, что уровень хлорофилла в эпидермисе плода, форма плода и возраст плода являются основными факторами, влияющими на значение фотосинтеза плодов огурца.

Дыня

Дыня демонстрирует богатую генетическую изменчивость характеристик плодов. Наблюдалась значительная вариация в содержании и составе сахара в зрелых плодах (Stepansky et al., 1999). В целом, наиболее доминирующим растворимым сахаром в плодах сладких сортов является сахароза, в то время как глюкоза и фруктоза являются основными сахарами у несладких сортов. Исключением является советский сорт «Кувсинка», который относится к типу cantalupensis, содержащий 82 мг/г сырого веса растворимых сахаров в плодах, но содержание сахарозы, глюкозы и фруктозы составляет 24, 19 и 28 мг/г сырого веса, соответственно (Степанский и др., 1999). В большинстве сортов содержание глюкозы всегда сходно с содержанием фруктозы. Есть и некоторые исключения. Степански и др. (1999) сообщили, что индийский сорт, относящийся к типу чито, содержит в плодах 19,6 мг/г сырого веса глюкозы и 30,2 мг/г сырого веса фруктозы. Хаббард и др. (1989) сообщили, что в плодах дыни было обнаружено около 0,15 ± 0,06 мг/г сырого веса крахмала. О наличии небольшого количества крахмала в плодах дыни сообщали и некоторые другие исследователи (Schaffer et al., 1987; Combrink et al., 2001). Кроме того, в плодах дыни были обнаружены низкие концентрации RFO и галактозы (Hubbard et al., 1989; Chrost and Schmitz, 1997; Kim et al., 2007). RFO в завязи исчезают после развития, подобно тому, как это происходит во время развития плодов огурца (Hughes and Yamaguchi, 1983).

В целом, растворимые сахара присутствуют в большей концентрации во внутренних тканях, чем в наружных тканях плодов дыни (Lingle and Dunlap, 1987; Hubbard et al., 1989; Combrink et al., 2001). Разница в концентрации сахаров между внутренними и внешними тканями в основном обусловлена разницей в концентрации сахарозы, а не гексозы (Hubbard et al., 1989). Характер распределения RFO аналогичен сахарозе (Hubbard et al., 1989). В другом направлении наблюдались градиенты сахарозы и общего сахара, поднимающиеся от мезокарпа, прилегающего к плодоножке, к мезокарпу, прилегающему к пупку (Zhang and Li, 2005).

В целом, существует два типа дыни: тип высокого накопления сахарозы и тип низкого накопления сахарозы (Stepansky et al., 1999; Burger et al., 2009). При высоком типе накопления сахарозы на ранней стадии развития плода концентрация сахарозы остается низкой, в то время как уровень глюкозы и фруктозы относительно высок. На поздней стадии сахароза быстро накапливается, и ее уровень достигает уровня, аналогичного гексозе у некоторых генотипов, или значительно превышает уровень гексозы у других сортов. Для типа с низким уровнем накопления сахарозы концентрация сахарозы поддерживается на низком уровне в течение всего развития плода (Lingle and Dunlap, 1987; Schaffer et al., 1987; Hubbard et al., 1989; Gao et al., 1999; Zhang and Li, 2005). Градиент концентрации сахарозы между внутренними и внешними тканями плода обусловлен более высокой скоростью или большей продолжительностью накопления сахарозы во внутренних тканях плода (Lingle and Dunlap, 1987; Hubbard et al., 1989; Wang et al., 2014). Для сорта с высоким уровнем накопления сахарозы экспоненциальная стадия роста плода всегда наступает раньше, чем стадия быстрого накопления сахарозы, а когда рост плода замедляется на поздней стадии S-кривой, сахароза все еще быстро накапливается; временной лаг между этими двумя периодами варьирует у разных сортов (Lingle and Dunlap, 1987; Gao et al., 1999; Villanueva et al., 2004). В некоторых сортах содержание гексозы и крахмала оставалось малоизмененным или немного увеличивалось во время развития плодов (Lingle and Dunlap, 1987; Schaffer et al., 1987; McCollum et al., 1988, Hubbard et al., 1989; Zhang and Li, 2005). Однако у других сортов их уровень постепенно снижался по мере накопления сахарозы, что свидетельствует о преобразовании гексозы и крахмала в сахарозу в этот период.

Кислая инвертаза и SPS — два ключевых фермента, регулирующих накопление сахарозы во время развития плодов дыни (Lingle and Dunlap, 1987; Schaffer et al., 1987; Hubbard et al., 1989; Ranwala et al., 1991; Lee et al., 1997; Lester et al., 2001; Burger and Schaffer, 2007). Накопление сахарозы всегда сопровождается снижением активности кислой инвертазы и повышением активности SPS. Кроме того, внутренняя ткань имеет более высокую активность SPS и низкую активность кислой инвертазы, чем наружная ткань в плодах дыни, что еще раз доказывает важную роль этих двух ферментов в определении уровня сахарозы (Lingle and Dunlap, 1987; Wang et al., 2014). Роль СС и нейтральной инвертазы в накоплении сахарозы может быть различной у разных сортов и зависит от состояния роста растения. Хаббард и др. (1989) показали, что активность СС и нейтральной инвертазы низкая на протяжении всего роста плода, что указывает на незначительную роль этих двух ферментов в накоплении сахарозы. Wang et al. (2014) также обнаружили, что нет существенной разницы в активности этих двух ферментов между внутренней и внешней тканями плода. Однако Ranwala et al. (1991) и Lee et al. (1997) обнаружили, что накопление сахарозы сопровождалось резким снижением активности нейтральной инвертазы. Шаффер и др. (1987) предположили, что активность СС как в направлении синтеза, так и в направлении расщепления увеличивается во время накопления сахарозы, и предположили, что СС связана с накоплением сахарозы. Лингл и Данлап (1987) обнаружили, что активность СС (расщепление) была выше, чем активность SPS в период накопления сахарозы, и активность в наружной ткани была выше, чем во внутренней. Они предположили, что СС может обеспечивать гликолиз субстратом для роста клеток. Burger и Schaffer (2007) изучали накопление сахарозы у семи генотипов дыни и обнаружили, что активность СС и нейтральной инвертазы положительно коррелировала с накоплением сахарозы. Они предположили, что конечное содержание сахарозы определяется продолжительностью «метаболизма накопления сахарозы», который характеризуется активностью кислой инвертазы ниже пороговых значений, а также активностью SPS, SS и нейтральной инвертазы выше порогового уровня. Кроме того, кислая инвертаза клеточной стенки также была обнаружена в плодах дыни (Schaffer et al., 1987; Ranwala et al., 1991). В плодах дыни может существовать путь апопластической разгрузки. Кислота инвертазы клеточной стенки может отвечать за разгрузку сахарозы и RFO.

Dai et al. (2011) проанализировали уровни экспрессии 42 генов, связанных с углеводным обменом, в плодах дыни на разных стадиях развития с помощью технологии пиросеквенирования 454. Они обнаружили, что уровни экспрессии CmAIN2 (ICuGI contig ID: MU22596), CmSUS1 (MU21164), CmNIN3 (MU26813), CmHK1 (MU29719), CmFK3 (MU22877), CmAAG1 (MU20940) и CmAAG2 (MU39965) были высокими на ранней стадии развития плода, в то время как значительная экспрессия CmSPS1 (MU23155), CmSPP1 (MU23296) и CmSUS3 (MU31768) наблюдалась на стадии накопления сахарозы. Авторы не могут соотнести эти паттерны экспрессии с конкретными метаболическими процессами, поскольку большинство ферментов кодируются более чем одним геном, поэтому трудно определить вклад каждого гена в конечную активность. Кроме того, функции генов регулируются на уровне посттранскрипции, трансляции и посттрансляции, а также в присутствии ингибиторов. Между уровнями транскрипции и активностью ферментов может не быть значительных корреляций. Поэтому необходимо проделать большую работу для выяснения функции этих генов в росте плодов и углеводном обмене в плодах дыни.

Арбуз

Глюкоза, фруктоза и сахароза являются важными сахарами в плодах арбуза (Kano, 1991; Yativ et al., 2010; Zhang, 2010; Liu et al., 2013). У разных генотипов наблюдались широкие вариации общей концентрации сахара и соотношения между тремя сахарами. Общая концентрация сахара достигала 100 мг/г сырого веса у сладких генотипов, но была ниже 10 мг/г сырого веса у несладких генотипов (Liu et al., 2013). Yativ et al. (2010) предположили, что уровень глюкозы и сахарозы варьировался от 20% до 40%, в то время как уровень фруктозы изменялся в пределах 30%-50% в коммерческих сортах арбузов. Liu et al. (2013) показали, что уровни сахарозы и фруктозы были схожи через 35 дней после антеза у высокосахаристого сорта, а Zhang (2010) предположил, что содержание сахарозы было выше, чем гексозы в созревающих плодах инбредной линии. В целом, уровень фруктозы всегда выше уровня глюкозы в зрелых плодах арбуза (Kano, 1991; Yativ et al., 2010; Zhang, 2010; Liu et al., 2013). В отличие от дыни, между концентрацией общего сахара и концентрацией сахарозы в плодах арбуза разных генотипов нет значительной корреляции (Yativ et al., 2010).

Характер изменения уровня сахара в плодах арбуза в процессе развития был подробно изучен у различных генотипов. Уровень растворимых сахаров очень низок в течение первых 10 дней после антеза, затем начинают накапливаться фруктоза и глюкоза, а уровень сахарозы начинает быстро расти через 18-35 дней после антеза, в зависимости от сортов и условий посадки (Elmstrom and Davis, 1981; Kano, 1991; Yativ et al., 2010; Zhang; 2010; Liu et al., 2013). В последний период накопления сахарозы уровни глюкозы и фруктозы немного увеличиваются или остаются на стабильном уровне у некоторых генотипов (Elmstrom and Davis, 1981; Brown and Summers, 1985; Zhang, 2010) или уменьшаются с увеличением уровня сахарозы у других генотипов (Elmstrom and Davis, 1981; Kano, 1991; Yativ et al., 2010). У несладких генотипов три сахара поддерживаются на очень низком уровне в течение всего периода роста (Liu et al., 2013).

В плодах арбуза существует восходящий градиент уровня сахара от наружных тканей к внутренним, как в продольном, так и в экваториальном направлении (Kano, 1991). На ранней стадии развития плода (до накопления сахарозы) градиент сахара был обусловлен в основном различным распределением глюкозы и фруктозы, в то время как в зрелых плодах он был обусловлен в основном более высокой концентрацией сахарозы во внутренних тканях. В это время не было градиентов концентрации глюкозы и фруктозы между внутренними и внешними тканями, что указывает на то, что больше гексоз преобразуется в сахарозу во внутренних тканях, чем во внешних. Кроме того, содержание сахарозы было высоким вокруг семян (Kano, 1991).

По сравнению с генотипами с низким накоплением сахарозы, у генотипов с высоким накоплением сахарозы наблюдалась более низкая активность растворимой инвертазы и более высокая активность SPS и SS, что указывает на важную роль этих ферментов в накоплении сахарозы в плодах арбуза (Yativ et al., 2010). Роль SPS в накоплении сахарозы в плодах арбуза была продемонстрирована и в других исследованиях (Zhang, 2010; Liu et al., 2013). Как и в дыне, функции СС и нейтральной инвертазы в накоплении сахара могут зависеть от сорта. У сортов с низким накоплением сахара активность всех ферментов поддерживалась на низком уровне (Liu et al., 2013). Роль инвертазы клеточной стенки в развитии плодов арбуза противоречива. Ятив и др. (2010) обнаружили, что активность нерастворимой инвертазы была высокой и постоянной на протяжении всего развития плода у генотипов, накапливающих низкий уровень сахарозы, в то время как у генотипов, накапливающих высокий уровень сахарозы, активность резко снижалась через 4 недели после опыления. Однако Liu et al. (2013) показали, что нерастворимая инвертаза была единственным ферментом, активность которого положительно коррелировала с накоплением сахарозы во время развития плодов. Нерастворимая инвертаза может реагировать как на выгрузку сахарозы и RFO (Roitsch and Gonzalez, 2004), так и на гидролиз сахарозы в плодах. Таким образом, связь между нерастворимой инвертазой и накоплением сахарозы зависит от того, сколько гексоз из апопластной выгрузки сахарозы и RFO переносится в клетку и используется для ресинтеза сахарозы.

Тыква

Растения со съедобными плодами из рода Cucurbita собирательно называют тыквой или сквошем, в основном это C. pepo, C. maxima, C. moschata и C. argyrosperma. Как правило, существует два вида тыквы: летняя и зимняя. Летний сквош собирают в стадии незрелых плодов, а зимний сквош — в стадии зрелых плодов. Плоды сквоша содержат глюкозу, фруктозу, сахарозу, RFO, галактозу и крахмал; содержание этих компонентов меняется у разных видов (Terazawa et al., 2011). Глюкоза и фруктоза являются основными растворимыми сахарами в плодах кабачка, в то время как галактоза, RFO и сахароза имеют очень низкую концентрацию. Ирвинг и др. (1997) разделили модель роста лютика (C. maxima) на три фазы:

  1. ранний рост, от цветения до 30 дней после цветения;
  2. созревание, от 30 дней до 60 дней после цветения (или сбора урожая);
  3. созревание, от 60 дней (или сбора урожая) до примерно 100 дней после цветения.

На ранней стадии накопление сухого вещества и крахмала в основном завершено. Плоды содержат значительное количество глюкозы, фруктозы, немного RFO и очень мало сахарозы. На стадии созревания уровень сухого вещества и крахмала остается неизменным, в то время как сахароза начинает накапливаться. Во время созревания крахмал разрушается, а сахароза продолжает накапливаться. Аналогичная картина наблюдалась во время развития плодов других сортов C. maxima и C. moschata (Tateishi et al., 2004; Sun et al., 2008). Кроме того, плоды сквоша содержат ряд функциональных компонентов, таких как полисахариды и галактинол (Yang et al., 2008).

Содержание и свойства крахмала в значительной степени определяют съедобность, качество хранения и переработки плодов сквоша. Содержание крахмала в сухом веществе плодов колеблется от 3% до 60% у разных видов (Stevenson et al., 2005), причем уровень амилопектина обычно выше, чем амилозы (Nakkanong et al., 2012). Структуру и физико-химические свойства крахмала из плодов сквоша изучали Стивенсон и др. (2005) и Чжоу и др. (2013). Они обнаружили, что крахмал сквоша демонстрирует рентгеновскую дифракционную картину типа B с гранулами размером 1-15 гм. Сканирующая электронная микрофотография крахмала тыквы показала, что большинство гранул крахмала Cucurbita moschata имеют многоугольную форму, а гранулы крахмала C. maxima — овальную форму (Yin, 2012). Кроме того, температура желатинизации и вязкость также различаются у разных видов (Stevenson et al., 2005; Zhou et al., 2013).

Как упоминалось ранее, концентрация сахарозы на ранней стадии развития плодов сквоша очень низкая. СС и кислая инвертаза являются двумя основными ферментами, ответственными за катаболизм сахарозы, транслоцированной в плоды. Ирвинг и др. (1997) сообщили, что активность СС была выше, чем активность кислой инвертазы в молодых плодах сквоша, что указывает на то, что СС играет основную роль в сахаролизе в этот период. Однако данные Sun et al. (2008) показали, что кислотная инвертаза вносит основной вклад в разложение сахарозы на этой стадии. Эти результаты позволили предположить, что метаболизм сахарозы различается у разных сортов; возможно, у генотипов, накапливающих высокую концентрацию крахмала, более важной является СС, в то время как у генотипов с большим количеством гексозы более значительную роль играет кислая инвертаза. С другой стороны, высокая активность SPS на поздней стадии развития плода указывает на то, что этот фермент в основном отвечает за накопление сахарозы в этот период, хотя нельзя исключать импорт из зрелого листа и синтез CC в направлении синтеза (Irving et al., 1997; Tateishi et al., 2007). Nakkanonga et al. (2012) проанализировали уровни экспрессии генов, связанных с биосинтезом крахмала, у трех генотипов и обнаружили, что ген AGPaseL (кодирующий АДФ-глюкоза пирофосфорилазу) экспрессируется на ранней стадии развития, а уровень его транскрипта положительно коррелирует с содержанием крахмала у разных генотипов. Аналогичная связь наблюдалась между уровнем транскрипта GBSSI (ответственного за биосинтез амилозы) и содержанием амилозы. Однако значительной корреляции между экспрессией SSII, SBEII и ISAI (все участвуют в биосинтезе амилопектина) и содержанием амилопектина не наблюдалось. Данные Irving et al. (1999) свидетельствуют о том, что расщепление крахмала на поздней стадии развития плода или в период хранения в основном катализируется а-амилазой у лютика.

Углеводный обмен во время развития семян

На ранней стадии развития семена огурца содержат относительно высокие уровни глюкозы, фруктозы и сахарозы, в то время как уровень RFO довольно низок (Widders and Kwantes, 1995). По мере развития семян огурца содержание глюкозы и фруктозы снижалось, а концентрация сахарозы сначала уменьшалась, а затем увеличивалась на стадии позднего созревания. Концентрация RFO увеличивалась на протяжении всего развития плода (Handley et al., 1983b). Widders и Kwantes (1995) обнаружили, что в семенах огурца также присутствует небольшое количество арабинозы. Кроме того, сухой вес семян был положительно связан с диаметром плода огурца (Widders and Kwantes, 1995), что указывает на продолжающееся поступление ассимилятов в семена огурца во время развития плода. В отличие от семян огурца, основным сахаром для хранения в зрелых семенах дыни является сахароза (Chrost and Schmitz, 1997).

Handley и др. (1983b) обнаружили, что во время накопления RFO в семенах огурца активность галактинол-синтазы постепенно увеличивается. Фуникулы из созревающих плодов содержали высокий уровень сахарозы, но мало раффинозы и стахиозы. Holthaus и Schmitz (1991b) также сообщили, что в семенах дыни наблюдается значительная активность синтазы раффинозы и синтазы стахиозы. Эти результаты указывают на то, что сахароза транспортируется в семена через фуникулы, а RFO биосинтезируются in situ в семенах. Однако эти данные не исключают возможности того, что RFO непосредственно транспортируются в семена через фуникулы (Widders and Kwantes, 1995). Кроме того, семена огурца также содержат определенное количество крахмала (Handley et al., 1983b), но мало известно о том, как крахмал синтезируется и накапливается во время развития семян.

Углеводный обмен в корнях

Корни растений семейства Cucurbitaceae содержат глюкозу, фруктозу, сахарозу и RFO (Du and Tachibana, 1994; Su et al., 1998). Du и Tachibana (1994) обнаружили, что высокая температура приводит к значительному увеличению содержания RFO в корнях огурца. Дальнейшие исследования показали, что это увеличение не связано с ингибированием активности a-галактозидазы. Су и др. (1998) предположили, что растворимый сахар значительно увеличился в корнях Luffa cylindrica и Momordica charantia при высокой температуре и стрессе от заболачивания. Кроме того, некоторые огурцы, такие как Apodanthera biflora, Cucurbita foetidissima и Cucurbita digitata, накапливают большое количество крахмала в свежих корнях (Berry et al., 1975; Bemis et al., 1978; Clark et al., 2012).

RFO и стресс у тыквенных культур

Роль RFO в реакции растений на абиотический стресс хорошо известна. Предполагается, что RFO действуют как протектор от высыхания и стеклообразного состояния во время созревания семян, осмопротектор при стрессе обезвоживания и антиоксидант, поглощающий реактивные виды кислорода (ElSayed et al., 2014). Однако взаимосвязь RFO и устойчивости к стрессу у видов, переносящих RFO, например, у огурцов, не была хорошо охарактеризована. Менг и др. (2008) сообщили, что сахароза, глюкоза, фруктоза, галактоза, раффиноза и стахиоза повышались при низкотемпературной обработке проростков огурца. Активность синтазы стахиозы была выше в холодоустойчивом генотипе, чем в холодочувствительном генотипе, и может быть усилена обработкой абсцизовой кислотой (ABA). Кроме того, экспрессия гена синтазы раффинозы может быть индуцирована холодовым стрессом и ABA. В результате активность синтазы раффинозы и содержание раффинозы увеличились в листьях огурца при низкой температуре (Sui et al., 2012). Донг и др. (2011) также сообщили, что уровни глюкозы, фруктозы, раффинозы и стахиозы увеличились в листьях и корнях под воздействием салициловой кислоты, фитогормона, связанного со стрессом. Эти данные показали, что RFO также может играть роль в повышении устойчивости огурцов к абиотическим стрессам. На самом деле, в 1970-х и 1980-х годах велись споры о месте синтеза RFO. Большинство исследователей считают, что малая жилка в листе является местом синтеза RFO для транспортировки наружу. Однако было обнаружено, что несколько RFO синтезируются в клетках мезофилла (Madore and Webb, 1982). Sprenger и Keller (2000) клонировали два гена галактинол-синтазы из Ajuga reptans, вида, транспортирующего RFO, и обнаружили, что один ген отвечает за синтез транспортного RFO, а другой — за хранение RFO. В геноме огурца имеется четыре гена галактинол-синтазы; недавно мы изучали экспрессию этих генов в нормальных и различных стрессовых условиях, и наблюдали аналогичное явление (неопубликованное). Основываясь на этих данных, мы предположили, что у огурцов основной синтез RFO в клетках мезофилла при нормальных условиях роста меньше. Синтез RFO усиливается, когда растения испытывают стрессовые условия.

Перспективы исследований

Недавние исследования показали, что сахара выступают не только в качестве источников углерода, но и важнейших сигнальных молекул, влияющих на большинство процессов в жизни растений, включая сам углеводный обмен (Smeekens and Hellmann, 2014). Важными сигнальными системами сахаров, выявленными в последнее время, являются сенсор глюкозы гексоки-наза (HXK), сигнал T6P, мишень рапамицин-киназной системы, SNF1-связанная протеинкиназа 1 (SnRK1) и сеть транскрипционных факторов C/S1 bZIP. Было доказано, что некоторые ключевые ферменты, участвующие в метаболизме сахарозы и крахмала, такие как SPS, SS, UDP-глюкоза пирофосфорилаза и a-амилаза, регулируются упомянутыми ранее сигналами сахаров у растений, переносящих сахарозу (Rolland et al., 2006; Lastdrager et al., 2014). Однако до сих пор мало что известно о системах сахарных сигналов у RFO-транспортирующих видов, включая огурцы. Необходимо провести дальнейшую работу, чтобы выяснить, регулируются ли ферменты, связанные с метаболизмом РРО, также этими сигнальными системами или существуют другие молекулярные механизмы контроля разделения углеводов, специфичные для РРО-транспортирующих видов.

По сравнению с механизмом загрузки, разгрузка флоэмы и роль сосудистой системы внутри плода привлекли меньше внимания. Точное место катаболизма RFO до сих пор остается неясным. Hu и др. (2011) предположили, что транспортеры RFO должны быть расположены на плазматической мембране клеток-компаньонов в плодах огурца, если RFO транслоцируются в плод и выгружаются через апоплазматический путь. Greuter и Keller (1993) подтвердили существование активного транспортера стахиозы на тонопласте вакуолей клубней артишока (Stachys sieboldii). Шнайдер и Келлер (2009) предположили, что раффиноза действительно переносится через оболочку хлоропласта с помощью транспортера раффинозы в обработанном холодом листе клопогона обыкновенного (Ajuga reptans). Однако до сих пор ни у одного из высших растений не было выявлено транспортеров RFO на молекулярном уровне. Поиск этих загадочных транспортеров очень важен для полного выяснения метаболизма и регуляции RFO у огурцов.

В геноме огурца было идентифицировано шесть предполагаемых генов a-галактозидазы и четыре предполагаемых гена галактинол-синтазы. Трудно выяснить точную функцию каждой формы этих ферментов, поскольку некоторые формы могут играть важную роль в нескольких физиологических процессах. Одним из примеров является кислая a-галактозидаза клеточной стенки, которая может отвечать как за гидролиз полисахаридов клеточной стенки, так и за выгрузку ассимилятов из апоплазмы. Таким образом, традиционные технологии нокаута генов, такие как конститутивный RNAi, могут привести к серьезному уродству или даже летальности растений. Технология микродиссекции (Zhang et al., 2010) и химически индуцированный RNAi (Guo et al., 2003) могут позволить нам расширить исследования в этой области.

В последние годы были секвенированы геномы огурца, дыни и арбуза (Huang et al., 2009; Garcia-Mas et al., 2012; Guo et al., 2013). Технология секвенирования следующего поколения ускорит процесс секвенирования геномов других огурцов и повторного секвенирования различных видов огурца, дыни и арбуза. Обмен этими массивными наборами данных по всему миру позволяет нам развивать высокопроизводительные технологии, такие как секвенирование транскриптома и микрочипы. Эти мощные геномные инструменты позволят получить глобальное представление о динамике транскриптов взаимодействия источника и поглотителя и выявить новые регуляторные компоненты и целевые гены, что впоследствии окажет значительное влияние на производство и селекцию огуречных культур.

Белки и масла

Семена, самая питательная часть огуречного растения, часто выбрасываются. Семена, выбрасываемые в большинстве стран, употребляются в пищу в некоторых странах, например, семена арбуза в Китае и семена сквоша (тыквы) в Мексике. Некоторые виды огурцов, включая орех вешенка, выращиваются в основном ради их съедобных семян. Для некоторых культур сорта были выведены специально для получения семян, например, цитрон, эгузи и штирийская масличная тыква. Семена сквоша, тыквы, дыни, арбуза и других зрелых плодов бахчевых являются хорошими источниками белка, кальция, фосфора, железа, магния, аргинина, метионина, аспаргиновой кислоты, глутаминовой кислоты, тиамина и ниацина. Декортицированные, или очищенные от оболочки, семена богаты жирами (40-60%) и белками (30-40%), содержат примерно в три раза больше калия, чем мякоть, и содержат мало свободных сахаров. Как и в других масличных культурах, белки семян огурца, которые состоят в основном из глобулинов и некоторых альбуминов, содержат большое количество богатых азотом аминокислот и дефицит лизина и серосодержащих аминокислот.

Масла семян бахчевых культур, которые обычно съедобны и пригодны для различных промышленных целей, состоят в основном из ненасыщенных жирных кислот. Полувысыхающие масла семян сквоша, дыни, арбуза и люффы содержат 40-60% линолевой кислоты, 20-40% олеиновой кислоты, 10-20% пальмитиновой кислоты и 0-15% стеариновой кислоты. Семена огурца содержат около 59% олеиновой, 22% линолевой, 7% пальмитиновой и 4% стеариновой кислот. При общем вкусе арахиса, масло в семенах белосемянной дыни имеет наибольшее содержание линоленовой кислоты (65%). Семена рифленой тыквы, по вкусу напоминающие миндаль, очень богаты маслом, состоящим из 37% олеиновой, 21% пальмитиновой, 21% стеариновой и 15% линолевой кислот. Селекционные работы с буйволовой тыквой позволили получить семена с содержанием линолевой кислоты до 82%. Однако условия выращивания в окружающей среде сильно влияют на процентное содержание ненасыщенных жиров.

Витамины, минералы и вторичные соединения

Каротиноиды

Плоды бахчевых с оранжевой, красной или желтой мякотью обычно имеют высокую концентрацию каротиноидов. Каротиноиды можно разделить на два основных класса: (i) углеводородные каротины; и (ii) оксигенированные ксантофиллы. Некоторые каротины, такие как p-каротин, являются предшественниками витамина А, необходимого человеку. Потребление каротиноидов связано со снижением заболеваемости раком и сердечно-сосудистыми заболеваниями, а некоторые из них (лютеин и зеаксан-тон) связаны с предотвращением макулярной дегенерации. В программах разведения идеальным является проведение химического анализа на содержание витаминов и питательных веществ. Если это невозможно, селекционер все равно может значительно улучшить содержание каротиноидов, просто отбирая сорта с насыщенным оранжевым цветом мякоти. Один из подходов заключается в использовании веера Roche Yolk Color Fan для отбора цвета мякоти с высоким содержанием каротиновых пигментов, которые находятся под доминирующим генетическим контролем у некоторых сортов C. moschata. Многие из ранних исследований предполагали, что большинство каротиноидов в сквоше — это каротины, и таким образом рекламировали сквош как источник провитамина А.

Однако более поздние исследования каротиноидных профилей в сквоше продемонстрировали чрезвычайную вариативность каротиноидных профилей (Azevedo-Meleiro and Rodriguez-Amaya, 2007; Obrero et al., 2013; Durante et al., 2014; Bonina-Noseworthy et al., 2016). Поскольку в мякоти большинства сортов кабачков C. maxima и C. moschata умеренно высокое содержание лютеина, а также может быть достаточно высокое содержание p-каротина, эти виды могут играть двойную роль в укреплении здоровья человека. Красная и оранжевая окраска арбузов обусловлена содержанием непровитаминных каротинов ликопина и проликопина.

Каротины

Каротины, содержащиеся в огурцах, включают α-, β-, δ-, γ- и ζ-каротин. Некоторые из них преобразуются в тонком кишечнике человека в ретиналь (витамин А), причем эффективность этого процесса зависит от типа каротина. p-Каротин является наиболее эффективным, при симметричном расщеплении молекулы образуются две ретинильные группы. α- и γ-каротины имеют только одну ретиниловую группу, а другие (δ- и ζ-каротины) полностью лишены ретиниловых групп.

Тыква Xishuangbanna из Китая имеет оранжевую мякоть и больше p-каротина, чем другие сорта огурцов. Навазио (1994), изучавший содержание и наследование каротиноидов в этих огурцах, обнаружил, что содержание каротина увеличивается с возрастом плода, зависит от условий выращивания и контролируется по крайней мере двумя генами. В арбузе с оранжевой мякотью основными каротиноидами являются проликопин, фитоен и ζ-каротин. Оранжевоплодные дыни и кабачки — гораздо лучшие источники р-каротина, чем огурцы. ‘Honey Dew’, ‘Casaba’ и другие дыни с зеленой или белой мякотью имеют более низкий состав каротина, чем дыни с оранжевой мякотью.

Ликопин — это каротин с красной окраской и антиоксидантными свойствами, который служит промежуточным звеном для биосинтеза других каротиноидов. В арбузах с красной мякотью ликопин составляет 70-90% от общего количества каротиноидов, остальная часть состоит из фитофлуола, фитоина, p-каротина, лютеина, неро-спорина и ζ-каротина. Исследования показали, что содержание ликопина и каротиноидов быстро увеличивается и накапливается через 10-12 дней после опыления в диплоидных арбузах и продолжает накапливаться по мере созревания плодов.

У людей ликопин снижает рост раковых клеток и вызывает гибель клеток при злокачественной лейкемии, а также в клетках рака эндометрия, молочной железы, легких и простаты. Ликопин защищает от перекисного окисления липидов и образования пенистых клеток, которые участвуют в развитии атеросклероза. Диета, состоящая из фруктов и овощей, богатых ликопином, может защитить от инсульта и сердечно-сосудистых заболеваний. Арбузный сок, содержащий ликопин и цитруллин, может улучшить восстановление и работоспособность спортсменов.

Ксантофиллы

Ксантофиллы также важны, особенно в сквоше и тыкве. В старой литературе ксантофиллы и каротины часто объединяли, что приводило к завышенным оценкам содержания каротинов и активности провитамина А. Формы, наиболее распространенные в огурцах, включают лютеин, зеаксантин, неоксантин, виолаксантин, неохром и p-криптоксантин. Только последний обладает провитаминной активностью, но лютеин и зеаксантин имеют отношение к здоровью глаз. Преобладающим ксантофиллом, содержащимся в сквоше, является лютеин. Хотя о зеаксантине сообщалось в литературе, проверить наличие этого соединения было трудно. Лютеин — это желтый каротиноид, который часто встречается в желтых или темно-зеленых овощах, включая цуккини сквош (2125 мкг/100 г) и огурец (23 мкг/100 г), но наибольшего уровня он достигает в обработанном зимнем сквоше (3527 мкг/100 г). В организме человека лютеин защищает глаза от окислительного стресса. В канареечно-желтых и лососево-желтых арбузах неоксан-тон является основным каротиноидом (Bang et al., 2010).

Цитруллин

Цитруллин присутствует в некоторых огурцах, включая арбуз. Он принадлежит к семейству метаболитов L-аргинина. У родственных видов Citrullus содержание цитруллина увеличивается в листве во время засухи и может повышать устойчивость растений к стрессу. У дыни содержание цитруллина в листве является важным индикатором стресса от засухи. Арбуз является хорошим источником аргинина и предшественника аргинина — цитруллина. В развивающихся плодах арбуза содержание цитруллина низкое, достигает пика непосредственно перед созреванием и снижается по мере старения плодов. Содержание цитруллина, как правило, выше в канареечно-желтых арбузах.

В организме человека цитруллин способствует восстановлению мышц во время физических нагрузок и оказывает благотворное влияние на здоровье сосудов, например, снижает кровяное давление и увеличивает расширение сосудов во многих тканях организма, что способствует смягчению сердечно-сосудистых заболеваний.

Флавоноиды и фенольные кислоты

Фенольные кислоты и флавоноиды — это водорастворимые соединения, признанные полезными для здоровья и, в некоторых случаях, обладающие важными свойствами пигментации. Огурцы, как правило, не отличаются высоким содержанием этих соединений: в огурце, дыне и тыкве обнаружено небольшое количество гидроксибензойной и гидроксикоричной кислот (Macheix et al., 2000). Что касается флавоноидов, то были обнаружены флаван-3-олы (включая эпикатехин и эпигаллокатехин), флавоны (апигенин и лютеолин), флавонолы (каемпферол, кверцетин и рутин) (USDA Nutrient Database, 2014). Классы флавоноидов, которые не были обнаружены в огурцах, включают флаваноны и антоцианы, последние обладают свойствами пигмента от красного до синего. Во многих плодовых культурах, включая огурцы, фенольные кислоты и флавоноиды содержатся преимущественно в эпидермисе и внешних слоях околоплодника и могут быть потеряны при удалении кожицы плода.

Антинутриенты и фармакология

Токсичные и потенциально терапевтические соединения в огурцах включают оксигенированные тетрациклические тритерпеноиды, называемые кукурбитацинами, сапонины (напр. кукурбитоцитрин в семенах арбуза, тубимозид 1 в псевдофриталлерии), другие гликозиды (цитруллол и колоцинт в Citrullus colocynthis), алкалоиды (момордицин в горькой тыкве), рибосомно-инактивирующие белки (луффакулин в Luffa operculata, трихозантин в Trichosanthes), свободные аминокислоты (кукурбитин в сквоше) и различные другие соединения. Одним из интересных гликозидов является могрол I-IV; обнаруженный в плодах луо-хань-гуо, он в 150 раз слаще сахарозы и исследуется как натуральный, некалорийный заменитель сахара.

Наиболее интенсивно изучаемыми из этих биодинамических соединений являются горькие кукурбитацины из-за их нежелательного присутствия в плодах основных огуречных культур. Кукурбитацины в культивируемых огурцах могут стать серьезной проблемой не только из-за крайне неприятного вкуса, который они придают, но и из-за проблем со здоровьем. Эти соединения являются сильными чистящими и слабительными средствами и в высоких концентрациях могут вызывать серьезные заболевания и смерть.

Кукурбитацины обычно встречаются в семействе Cucurbitaceae, отсюда и их название, а также в некоторых видах других семейств. Существует множество различных соединений кукурбитацина, существующих в виде гликозидов или свободных агликонов. Особенно токсичны те, что содержатся в сквоше. Однако самые высокие концентрации (> 1%) обнаружены в плодах колоцинта и различных диких видах Cucumis. Внутри конкретного растения концентрация обычно самая высокая в плодах и корнях и ниже в листьях, стеблях и растущих верхушках, но концентрация может меняться в той или иной части растения в процессе развития.

Различным соединениям кукурбитацина были присвоены разные буквы алфавита. Эти различные, но структурно родственные соединения имеют определенное химико-отаксономическое значение, поскольку некоторые виды и группы видов можно охарактеризовать по содержащимся в них кукурбитацинам. Так, если только огурец имеет кукурбитацин C, то виды кабачков характеризуются B, D, E, I и гликозидом E.

Горькие, токсичные кукурбитацины имели селективное значение во время эволюции огурцов, отпугивая насекомых и других травоядных от поедания листвы и плодов. Тли, паутинные клещи и другие вредители отпугиваются огурбитацинами, а огуречные жуки — нет. В ходе коэволюции растений и насекомых огуречные жуки выработали тягу к растениям с высокой концентрацией кукурбитацинов.

Дикие виды Cucurbita имеют горькие плоды, и ключевым шагом в одомашнивании кабачков был отбор видов с не горькими плодами. Первой частью растения, употребляемой людьми, вероятно, было семя, которое не горчит, даже если мякоть плода горькая. Кукурбитацины сосредоточены в плаценте — ткани, прикрепленной к семени, и семена не горчат, если их тщательно очистить и освободить от плаценты и прилипшей мякоти. В процессе извлечения семян горечь от мякоти могла попасть на пальцы первых культиваторов.

Следовательно, мутанты с не горькой мякотью, вероятно, были замечены, а их семена сохранены для посадки. Таким образом, не горький сквош, вероятно, был отобран и культивирован коренными американцами тысячи лет назад.
Кукурбитацины содержатся в плодах всех сортов сквоша, но обычно они находятся в таких низких концентрациях, что их невозможно почувствовать на вкус. Иногда, однако, относительно высокие концентрации делают кабачок довольно горьким. Известно несколько случаев, когда люди сильно заболевали и нуждались в госпитализации после употребления всего нескольких граммов горьких на вкус плодов.

На горечь огурцов влияют как генетические, так и экологические факторы. По меньшей мере пять генов регулируют биосинтез кукурбитацинов, причем органоспецифические гены контролируют качество и количество кукурбитацинов в различных частях растения. Считается, что у сквоша проблемы, связанные с горечью, имеют в основном генетическое происхождение. Многие декоративные тыквы, а также дикие популяции Cucurbita pepo имеют один доминантный аллель для горьких плодов. Этот аллель может быть передан сортам кабачка C. pepo насекомыми-опылителями, и тогда растения будущих поколений могут иметь горькие плоды. Ксении для горечи плодов не существует; если сквош скрещивается с тыквой или другим источником аллеля горьких плодов, горечь не проявляется до поколения F1.

Хотя горечь чаще всего является проблемой для сортов C. pepo, вероятно, в результате потока генов от горьких сортов или диких популяций, о ней также сообщалось и у других видов сквоша. В результате взаимодействия генов горькие плоды могут развиваться в потомстве C. pepo x C. argyrosperma, даже если у обоих родителей плоды не горькие.

У огурца факторы окружающей среды часто влияют на время появления горечи. Один плод может быть горьким, в то время как другой плод на том же растении, развивающийся при других погодных условиях, может быть не горьким. Некоторые сорта огурцов имеют горькую листву, но никогда не имеют горьких плодов; другие сорта имеют горькую листву и могут иметь горькие или не горькие плоды в зависимости от условий окружающей среды. Отличить эти типы в селекционной программе сложно из-за изменчивости, вызванной условиями окружающей среды. Однако голландские селекционеры разработали лучший метод селекции огурцов для получения не горьких плодов. Andeweg и Bruyn (1958) рассудили, что если они смогут найти мутант огурца с не горькой листвой, то у него будут не горькие плоды независимо от окружающей среды и условий выращивания. Попробовав котиледоны 15 000 огуречных саженцев, эти исследователи нашли один, который был не горьким. После выращивания рассады она дала не горькие плоды при любых условиях выращивания. Единственный рецессивный аллель был выведен во многих современных сортах.

Литература

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

×
Русфонд