Форма плода. Классификация томатов. Факторы среды

Плод — продуктовый орган всех сельскохозяйственных культур. Очень важный признак плода — его форма.

Томат (Solanum lycopersicum) занимает первое место среди овощных культур по объему выращивания во всем мире, причиной этому служит популярность продуктов переработки плода томата и его широкое потребление в свежем виде. Плоды томата — сочные многогнездные ягоды, которые обладают широким разнообразием по окраске (от белой до темно-фиолетовой) и форме плода (от плоскоокруглых до цилиндрических). В данной статье приведен обзор научных работ, посвященных изучению факторов, влияющих на индекс формы плода томата.

Есть два пути, с помощью которых растение образует ту или иную форму плода. Первый, который представлен у большинства окультуренных видов, представляет собой неравномерный темп роста плода в разные стороны. Второй, который свойственен томату и некоторым видам тыквенных, характеризуется тем, что форма плода уже определена у завязи на стадии цветения, впоследствии темп роста плода по всем направлениям практически одинаков.

Основной фактор, определяющий форму плода — генотип

Окончательная форма плода растения определяется взаимодействием генотипа и в некоторых случаях условиями окружающей среды во время закладки примордия завязи. Так, в достаточно широком исследовании Панфи с соав. (2013) было испытано 44 образца томата в трех штатах США в течение 2 лет. В результате было выяснено, что вклад наследственности в признак «индекс формы плода» составил более 90%, в то же время статистическое значение взаимодействия среды выращивания и наследования принято значимым. В исследовании лаборатории пасленовых культур НИИСОК было продемонстрировано увеличение размаха вариации признака «индекс формы плода» в бóльшую сторону в рамках сортоиспытания в летне-осеннем обороте по сравнению с зимне-весенним, что объясняется различием температурных условий и прихода солнечной радиации в период закладки цветковых меристем (Редичкина, 2012). Данные исследования подтверждают превалирование наследственности в проявлении рассматриваемого признака, но не отрицают значительного вклада условий окружающей среды во время формирования генеративной части растения.

Ген ovate, ответственный за форму плода

Первые генетические исследования формы плода томата были проведены в начале ХХ века. В своих работах с использованием анализа менделевского наследования Хендрик и Бут, Прайс и Дринкард обнаружили, что проксимальная часть («шея») грушевидного плода наследуется одним рецессивным геном. Макартур подтвердил результаты, полученные Прайсом и Дранкардом, и, кроме того, определил, что локус, ответственный за грушевидную форму плода pr, находится во второй хромосоме в близкой сцепке с генами карликового роста d1, пустотелых плодов p и геном компактного соцветия s. Этот локус позднее был назван o (ovate) Линдстромом, который также выяснил, что гены, ответственные за форму проксимальной части грушевидного плода, не обязательно находятся на хромосоме 2.

Вдобавок Линдстром выяснил, что локус ovate характеризуется ступенчатым аллеломорфизмом, то есть локус представляет собой систему взаимодействия субгенов, и что признаки плоскоокруглой и округлой формы плода частично доминируют над яйцевидной [4, 6, 12].

На данный момент ген ovate достаточно точно картирован на второй хромосоме, данный ген представляет собой нонсенс-мутацию путем образования стоп-кодона, который терминирует синтез специфичного для растений класса белков — Ovate Family Proteins (OFPs). Данный класс белков обнаружен во всех протестированных томатах, в связи с чем определяют его как консервативный домен ovate. OFPs участвуют в регуляции формы различных органов у других культур: плодов дыни, зерен риса, клубней картофеля, стручков и листьев арабидопсиса. Как раз на арабидопсисе как на одном из главных модельных объектов растительного мира были проведены фундаментальные исследования функции белков класса OFPs, в результате предложена роль транскрипционного репрессора. Однако результаты недавно проведенных исследований утверждают, что предложенная концепция ошибочна, а функционал OFPs — контроль локализации внутриклеточных комплексов, ответственных за различные клеточные процессы [10, 12].

Наибольший уровень экспрессии домена ovate (дикого типа) фиксируется в апексах побегов, молодых цветковых бутонах и плодах бланжевой спелости. Чрезмерная экспрессия членов класса OFPs приводит к развитию карликовых растений с образованием органов с измененной формой: семядоли в форме, напоминающей почки млекопитающих, округлые листья и плоды [10].

Мутация ovate не всегда приводит к образованию плода с удлиненной формой, многое зависит от генетического фона. В редких случаях растения, содержащие мутацию, имеют плоды округлой формы. Родригез с соав. (2013) выявили и картировали два локуса: sov1 на хромосоме 10, sov2 на хромосоме 11, наличие обоих в гомозиготном состоянии в генотипе обуславливает округлую форму плода. По отдельности sov1 контролирует яйцевидную и вытянутую форму плода, а sov2 контролирует только вытянутую форму плода.

Локус sun также контролирует удлинение формы плода томата, только его эффект гораздо более выражен, чем у ovate. В исследовании, в котором анализировали потомство от скрещивания S. lycopersicum сорта Sun1692 c удлиненной формой плода и S. pimpinellifolium, наличие локуса sun объясняло 58% фенотипической вариации. Данный локус также точно картирован на коротком плече хромосомы 7 и кодирует семейства IQD. Локус появился в результате довольно необычной мутации — дупликации достаточного большого участка из хромосомы 10, опосредованного ретро-транспозоном Rider. Это событие создало новый геномный контекст — увеличение экспрессии sun, тогда как экспрессия sun дикого типа обнаруживается на десятый день после цветения на низком уровне во всех типах тканей. Ву с соав. (2015), используя популяцию с гетерозиготным состоянием гена sun, продемонстрировали, что существует положительная корреляция между уровнем экспрессии гена и удлинением плода [12, 15, 16].

Влияние генома на форму плода заметно на стадии цветения, хотя более выражено сразу после оплодотворения

Изменение формы плода происходит за счет распределения массы плода: идет увеличение клеток в проксимально-дистальном направлении, сопровождающееся уменьшением количества клеток колумеллы и плодолистиков в латеральном направлении по всей длине плода. Интересно, что sun влияет на длину и форму терминальной доли листа томата, уменьшает толщину стебля [15].

Гены ovate и sun относят к локусам количественных признаков (QTLs, quantitative trait loci), наличие, отсутствие или свое образная комбинация которых может обуславливать изменения показателя количественного признака — индекса формы плода у однородной с генетической точки зрения популяции. От других QTLs данного признака их отличает высокая степень наследования и вклад в изменчивость признака, а еще и то, что найдены маркеры, определены продукты экспрессии, созданы теории, объясняющие воздействие на признак. Поэтому при обозначении названий локусов sun и ovate обычно опускают словосочетание «количественных признаков».

Первая попытка определить связь между генетическими маркерами и ложными QTLs (ложные, потому что определены генетическими, а не молекулярными маркерами), влияющими на форму плода, в поколении F2 от скрещивания S. lycopersicum х S. pimpinellifolium (томат смородинный, название описывает форму и размер плода) была предпринята в 1988 году Веллером с соав. В результате была обнаружена статистически значимая связь между несколькими генетическими маркерами и формой плода. В последующих работах с применением молекулярного QTL-картирования бескроссных поколений BC1 и BC2 той же комбинации скрещивания были обнаружены QTLs: fs8.1, fs2.1, fs1.1, fs1.2.

Первые два являлись значимыми в обеих популяциях, тогда как последние два имели меньшее влияние на признак и были обнаружены только у поколения BC2 [4].

Локусы sun, ovate, fs8.1 вносят самый заметный вклад в увеличение индекса формы плода

Наиболее значимым из перечисленных QTLs, влияющих на форму плода, является fs8.1, наличие которого объясняет почти 27% фенотипической вариации в поколении BC1. Локализован данный локус на коротком плече хромосомы 8. Эта QTL-аллель диких видов уменьшает длину плода, приводя к округлой форме. Действие локуса характеризуется как частично доминирующее.

Локус fs8.1 влияет в основном на длину плода, а на ширину влияет незначительно. Влияние оказывает на ранних этапах развития завязи, подтверждением чему служит высокая значимая корреляция (r = 0,89; P < 0,01) между признаками формы плода и формы завязи [4, 12].

Подтверждением тому, что именно эти три гена имеют основное влияние на увеличение индекса формы плода томата, служат результаты исследования Гонсало и ванн дер Кнаап (2008), в котором был проведен сравнительный анализ трех F2 популяций, полученных от скрещивания сортов, содержащих гены sun, ovate и fs8.1 по отдельности, с S. pimpinellifolium. Фенотипический анализ продемонстрировал, что все три гена внесли существенный вклад в увеличение индекса формы плода (sun — наибольший, fs8.1 — наименьший).

Важным вопросом при рассмотрении полигенного признака является вопрос о взаимодействии локусов, имеющих наибольшее влияние. Для изучения эффектов взаимодействия, которые оказывают вышеописанные гены, Ву с соав. (2015) создали изогенные линии, содержащие данные гены в отдельности и в различных комбинациях. В рамках данной работы было выявлено, что три локуса могут проявлять эпистатическое взаимодействие: комбинирование sun и ovate увеличивает индекс формы плода, а взаимодействие sun, ovate, fs8.1 приводит к образованию самых длинных плодов и завязей на стадии цветения. Статистический анализ обнаружил у двух комбинаций генов значимое эпистатическое взаимодействие: sun x ovate и sun x fs8.1. Был подтвержден аддитивный эффект трех локусов на индекс формы плода. Заостренность листьев у изогенной линии, содержащей три локуса, была самая выраженная и статистически значимо отличалась от томата дикого типа. Также было выяснено, что изменение уровня содержания растительных гормонов, опосредованное тремя локусами, не играет существенной роли в регулировании формы плода.

Есть исследование, в котором авторы идентифицировали нетипичный ген удлиненной формы плода: — Chusreeaeom с соав. (2014) нашли локус гена-кандидата, ответственного за удлинение плода на длинном плече хромосомы 8. Только следует отметить, что данный локус специфичен только для мутантной популяции томата Solanum lycopersicum elongated fruit 1 (Slelf1), полученной путем обработки мутагеном карликового сорта Micro-Tom. Формирование удлиненного плода у этой мутантной формы начинается за 6 дней до начала цветения.

Признак «индекс формы» есть отношение длины плода к ширине. Существует два гена, ответственных за увеличение ширины плода: lc и fas. Сочетание одного из этих двух генов с вышеописанными может привести к увеличению размеров и изменению характера удлиненной формы плода. Ген lc обуславливает мутацию, суть которой в двух однонуклеотидных заменах по направлению транскрипции белка WUS (принадлежит к семейству белков с широким диапазоном функции) и которая фенотипически выражается в увеличении количества камер плода и возможном увеличении веса плода. Экспрессия гена высока на стадии инициализации и первичного развития цветковых меристем. Ген fas обуславливает нокаутирующую ген инверсию в первом интроне белка YAB 2. Этот белок является транскрипционным фактором, который вовлечен в организацию меристем. Наличие мутантного локуса приводит к увеличению количества камер и всех других цветковых органов. Выявлено значительное эпистатическое взаимодействие между двумя этими генами [12].

Описание генов, их расположения, уровня экспрессии и типа взаимодействия недостаточно для более полного понимания действия. Родригес с соав. (2011) провели визуальную оценку формы плодов 368 образцов томата, разделив их на 8 категорий (плоскоокруглая, округлая, прямоугольная, грушевидная, сердцевидная, вытянутая, овальная, крупная сердцевидная («бычье сердце»)), и определили наличие генов sun, ovate, lc, fas во всех образцах. Семь образцов были представлены дикими видами томата, остальные — культивируемые сорта различного географического происхождения, включая 49 вишневидных (S. lycopersicum var. сerasiforme). В результате было выяснено, что все грушевидные, достаточно большое количество овальных (83%), прямоугольных (59%) и сердцевидных (48%) образцов содержали ген ovate, тогда как большинство томатов с вытянутой (88%) и крупной сердцевидной (83%) формой содержали ген sun. Было определено, что большинство образцов с вытянутой формой были с геном lc (63%), а все образцы с крупной сердцевидной формой содержали ген lc в дополнение с sun и/или fas. Также авторы, сопоставив полученные данные с географическим происхождением, выдвинули предположение, что мутация sun является более поздним событием, нежели мутации ovate, lc, fas, которые произошли после интродукции томата в Европу. Подтверждением этому служит тот факт, что ни у одного образца из Латинской Америки не было обнаружено этого мутантного локуса.

Классификация томата по форме плода

Одна из основных проблем, которая существует на данный момент, это составление адекватной системы классификации томата по форме плода. В рамках данной статьи эта проблематика важна в связи с тем, что в существующих системах классификации большинство категорий описывают томат с удлиненной формой плода. На данный момент есть две системы, основанные на экспертной оценке: классификация Международного института генетических ресурсов растений (the International Plant Genetic Resources Institute, IPGRI, 1996) и классификация Объединения для защиты новых сортов растений (Union for the Protection of New Varieties of Plants, UPOV, 2011). В первой выделяют 9 категорий, из которых 8 определены достаточно четко, а в девятую относят «все остальные»; во второй выделяют 11 категорий [5, 11].

Интересный шаг по данной проблематике был сделан Визой с соав. (2014). В исследовании было использовано 48 фенотипически отличимых сортов томата, которые были разделены на 8 категорий, соответственно вышеописанной работе Родригеса с соав. (2011). Сорта выращивались в трех различных географических условиях США, было выбрано по три растения из сорта в каждом регионе, для анализа собиралось по два плода с растения, всего было проанализировано 784 продольных среза плодов.

Анализ был проведен с помощью программы классификации The Auto Class Bayesian, которая применяется в различных научных исследованиях. Это программное обеспечение используется для автоматического определения адекватного количества категорий исследуемой совокупности. Составление классификации было осуществлено исходя из двух основных условий: первое — все программно определяемые категории должны быть различимы глазом специалистов: биологами, агрономами и селекционерами; второе — окончательный набор должен содержать следующие 5 форм, которые одновременно представлены в двух существующих системах классификации: вытянутая, бычье сердце, плоскоокруглая, округлая, овальная.

В результате было определено 9 классов (рис. 1), которые соответствовали выделенным ранее (Родригес с соав. 2011) с добавлением еще одной — вытянуто прямоугольной (7,5% от общего количества срезов). Класс каждого образца соотнесли с номинальной классификацией сорта, плоды большинства сортов можно было отнести к одному или нескольким классам. Есть сорт, плоды которого относили к 6 классам. Подобный разброс обуславливается действием факторов окружающей среды, действием генов-модификаторов, изменчивостью внутри сорта, а также несовершенством предложенной классификации. Было подтверждено, что ovate контролирует грушевидную, вытянуто прямоугольную и овальную форму; sun контролирует удлиненную и бычье сердце. Также было зафиксировано действие генов-модификаторов: сорт Spitz образует овальные, грушевидные и форму бычье сердце в дополнение к вытянутым, но в то же время сорт Howard German, содержащий ту же аллель, образовал 17 удлиненных плодов и один овальный.

Обобщая представленные исследования, можно сделать вывод, что на увеличение индекса формы и характер проявления влияют как генетические факторы, так и факторы окружающей среды во время закладки меристем соцветий и цветков.

Наибольшее влияние имеют именно генетические факторы, среди которых несколько основных локусов количественных признаков формы плода, локусы с меньшим влиянием, гены-регуляторы, гены-модификаторы. В наименьшей степени сказываются факторы окружающей среды. Замечено, что увеличение температуры и прихода солнечной радиации может сказаться на увеличении индекса плода, но подобная реакция имеет строгую зависимость от генотипа. На данный момент самой актуальной и признанной считается классификация UPOV (2011), которая все же не раскрывает все возможные варианты удлиненной формы плода томата, поэтому уточненная классификация разрабатывается внутри селекционно-семеноводческих фирм.

---

Никита Коломин, научный сотрудник лаборатории селекции пасленовых НИИСОК

ГЛОССАРИЙ. НАУКА

Изогенные линии — группа особей с одинаковым генотипом.

Эпистатическое взаимодействие — тип взаимодействия генов, при котором один ген подавляет действие другого.

Однонуклеотидные замены или SNP (произносится «снип») — представляет собой замену в последовательности ДНК, когда один нуклеотид — А, Т, G или C — в геноме (или в другой последовательности) расходится между членами вида (или в паре хромосом для особи).

Инверсия — от лат. in version «переворачивание; перестановка», обратный порядок.

Интрон — участок ДНК, копии которых удаляются из первичного транскрипта и отсутствуют в зрелой РНК.

Транскрипционный фактор — белки, контролирующие процесс синтеза мРНК на матрице ДНК (транскрипцию) путем связывания со специфичными участками ДНК.

Нокаутирующий ген — это метод молекулярной генетики, при котором из организма удаляют или делают неработоспособными определенные гены.

Транскрипционный репрессор — элемент, при связывании которого с регуляторными последовательностями молекулы ДНК, отвечающими за транскрипцию, происходит репрессия транскрипции генов.

Экспрессия гена — это процесс, с помощью которого информация от гена используется в синтезе функционального продукта гена.

Дупликация — от лат. duplicatio — «удвоение», разновидность хромосомных перестроек, при которой участок хромосомы оказывается удвоенным.

Ретротранспозон Rider — это генетические элементы, которые могут самовоспроизводиться в геноме и являются вездесущими компонентами ДНК многих эукариотических организмов.

Латеральное направление — боковое, лежащее дальше от срединной плоскости.

Проксимально-дистальное направление — «дистально» означает «далеко от начала, от верхней части». «Проксимально» означает «близко к началу, к верхней части».

QTLs, quantitative trait или Локусы количественных признаков (сокращенно — ЛКП) являются участками ДНК, либо содержащими гены, либо сцепленными с генами, которые отвечают за тот или иной количественный признак.

Стоп — кодон — единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК, кодирующая прекращение (терминацию) синтеза полипептидной цепи (трансляцию).

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Редичкина Т.А. Селекция крупноплодных гибридов томата со сливовидной формой плода // Гавриш №4, 2012, С. 28—32.

2. Chusreeaeom K., Ariizumi T., Asamizu E.: A novel tomato mutant, Solanum lycopersicum elongated fruit 1 (Slelf1), exhibits an elongated fruit shape caused by increased cell layers in the proximal region of the ovary. Mol Genet Genomics, 2014, https://doi.org/10.1007/s00438-014-0822-8.

3. Gonzalo MJ., van der Knaap E.: A comparative analysis into the genetic bases of morphology in tomato varieties exhibiting elongated fruit shape. TheorAppl Genet 2008, 116: 647—656.

4. Grandillo S., Ku H., Tanksley SD.: Characterization offs 8.1, a major QTL influencing fruit shape in tomato. Molecular Breeding 2: 25 l—260, 1996.

5. IPGRI (1996) Descriptors for Tomato (Lycopersicon spp.). International Plant Genetic Resources Institute, Rome.

6. Lindstrom EW.: The inheritance of ovate and related shapes of tomato fruits. J. Agric Res 34, 1927, 961—985.

7. Panthee DR., Labate J., McGrath M., Breksa A., Robertson L. Genotype and environmental interaction for fruit quality traits in vintage tomato varieties. Euphytica 2013, 193:169—182.

8. Rodriguez GR., Munos S., Anderson C., Sim S-C, Michel A., Causse M., Gardener BM., Francis D., van der Knaap E.: Distribution of SUN, OVATE, LC, and FAS in the tomato germplasm and the relationship to fruit shape diversity. Plant Physiol 2011, 156: 275—285.

9. Rodríguez GR, Kim H, van der Knaap E: Mapping of two suppressors of OVATE (sov) loci in tomato. Heredity 2013, 1—9, https://doi.org/10.5061/dryad.st020.

10. Snouffer A., Kraus C., van der Knaap E.: The shape of things to come: ovate family proteins regulate plant organ shape. Current Opinion in Plant Biology 2020, 53:98—10.

11. UPOV (2011) Guidelines for the conduct of tests for distinctness, uniformity and stability (Tomato).Geneva.

12. van der Knaap E., Chakrabarti M., Chu YH., Clevenger J., Berenguer E., Huang Z., Keyhaninejad N., Mu Q., Sun L., Wang Y.: What lies beyond the eye: the molecular mechanisms regulating tomato fruit weight and shape. Front. Plant Sci., 2014 https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00227.

13. Visa S., Cao C., McSpadden Gardener B., van der Knaap E.: Modeling of tomato fruits into nine shape categories using elliptic fourier shape modeling and Bayesian classification of contour morphometric data. Euphytica, 2014 200: 429—439.

14. Weller JI., Soller M., Brody T.: Linkage analysis of quantitative traits in an interspecific cross of tomato (Lycopersicon escwlentum x Lycopersicon pimpinellifolium) by means of genetic markers. Genetics 118, 1988, 329—339.

15. Wu S., Clevenger JP., Sun L., Visa S., Kamiya Y., Jikumaru Y., B la keslee J., van der Knaap E.: The control of tomato fruit elongation orchestrated by sun, ovate and fs8.1 in a wild relative of tomato. Plant Science 2015, http://dx.doi. org/10.1016/j.plantsci.2015.05.019.

16. Xiao H., Jiang N., Schaffner E., Stockinger EJ., Knaap E., van der: Retrotransposon-mediated gene duplication underlies morphological variation of tomato fruit. Science 2008, 319:1527—1530.