Citrullus lanatus

1 Einleitung

Die Familie der Kürbisgewächse, auch Kürbisgewächse genannt, besteht aus wirtschaftlich wertvollen Pflanzen wie Cucumis sativus L. (Gurke), Cucumis melo L. (Melone), Citrullus lanatus (Wassermelone), Lagenaria siceraria (Kalebasse) und Cucurbita spp. (kürbis und Kürbis). Insgesamt 98 Gattungen und etwa 975 Arten sind in dieser Familie zu finden. Diese Familienart wird hauptsächlich für Lebensmittel und medizinische Zwecke verwendet. Die weltweite Produktion von Kürbisgewächsen (einschließlich Obst, Gemüse und Saatgut) betrug rund 233 Millionen Tonnen, die 2014 auf 10 Millionen ha Land angebaut wurden (http://faostat.fao.org). Da sie eine hohe Vielfalt an Geschlechtsexpression und Fernsignalereignissen aufweisen, gelten Cucurbitaceae-Familienmitglieder als Modellorganismen und wurden für die Geschlechtsbestimmung (Tanurdzic und Banks, 2004) und pflanzengefäßbiologische Studien (Lough und Lucas, 2006) ausgewählt. Das Gurkengenom war das erste sequenzierte Genom unter den Familienmitgliedern der Kürbisgewächse (Huang et al., 2009) und sein Genom wurde zum siebten abgeschlossenen Pflanzengenomprojekt unter Modellpflanzen wie Arabidopsis thaliana, Pappel, Weinrebe, Papaya, Reis und Sorghum (Baloglu et al., 2014). Das zweite und dritte abgeschlossene Genomsequenzierungsprojekt gehören melon (Garcia-Mas et al., 2012) und Wassermelone (Guo et al., 2013). Im Jahr 2013 wurden erneut 115 Gurkenlinien und Wildgurkengenome zum Vergleich sequenziert. In dieser Studie wurden Gurkenentwicklung und Domestizierung hervorgehoben (Qi et al., 2013). Diese Studien sind ein Meilenstein in der Genomik der Cucurbitaceae-Familie. Darüber hinaus gibt es auch einige Studien zur Genotypisierung des Einzelnukleotidpolymorphismus (SNP) und zur Kartierung des quantitativen Merkmalslocus (QTL). Dies sind Beispiele für solche Studien. Kürbis, auch bekannt als Winterkürbis, ist ein weiteres Mitglied der Kürbisfamilie, dessen genetische Karte mit hoher Dichte unter Verwendung von Genomsequenzen hergestellt wurde (Zhang et al., 2015b). Die partielle Genomsequenzierung von Kalebasse (Flaschenkürbis) wurde 2011 abgeschlossen (Xu et al., 2011). Eine SNP-basierte genetische Karte wurde für Sommerkürbis (Cucurbita pepo) erstellt, der zur Familie der Kürbisgewächse gehört. Unter Verwendung einer Illumina GoldenGate-Plattform wurde auch eine QTL-Analyse durchgeführt (Esteras et al., 2012).

Das erste abgeschlossene Genomprojekt der Familie der Kürbisgewächse gehört zur Gurkenpflanze. Sieben Chromosomen von Gurken wurden unter Verwendung einer Kombination von zwei Techniken sequenziert, einschließlich konventioneller Sanger-Sequenzierung und Illumina-Sequenzierung der nächsten Generation in der Gurkensorte C. sativus var. sativus L., bekannt als Chinese long inbred line 9930 (Huang et al., 2009). Obwohl eine hohe Genomabdeckung (etwa 72,2-fach) erhalten wurde, wurde nur eine kleine Menge von Genen identifiziert, da zu diesem Zeitpunkt nur begrenzte Informationen über das gesamte Genom und Tandemduplikationen vorlagen. Ungefähr 26.682 Gene wurden im zusammengebauten Genom der Gurke vorhergesagt, das 243,5 Mb lang war. Gemäß der durchflusszytometrischen Analyse isolierter Kerne wurde die tatsächliche Gurkengenomgröße mit einer Länge von 367 Mb berechnet (Arumuganathan und Earle, 1991). Daher ist das zusammengesetzte Genom der Gurke fast 30% kleiner als seine tatsächliche Genomgröße. Für die Genvorhersage wurden verschiedene Methoden verwendet, darunter cDNA-EST, homologiebasiert und ab initio. Etwa 82% der Gene wurden funktionell klassifiziert oder ihre Homologe wurden in verwandten Datenbanken wie TrEMBL und InterPro gefunden. Darüber hinaus wurden RNA-Moleküle wie ribosomale RNA, Transfer-RNA, kleine nukleolare RNA, kleine nukleare RNA und microRNA (miRNA) -Gene identifiziert. Etwa 15.669 Genfamilien wurden vorhergesagt. Insgesamt 4362 und 3784 Familien gehören zu den einzigartigen Familien bzw. Die höchste Syntenierate wurde zwischen Gurke und Papaya mit 9842 Syntenblöcken beobachtet. Darüber hinaus zeigten Arabidopsis, Pappel, Weinrebe und Reis Syntenie mit Gurke. Diese Ergebnisse korrelieren auch mit den phylogenetischen Abständen dieser Pflanzen zur Gurke. Gurke und Melone kommen in derselben Gattung vor. Obwohl Gurke, Melone und Wassermelone zur selben Familie gehören, kommen in Gurke, Melone und Wassermelone insgesamt 7, 12 und 11 Chromosomen vor. Insgesamt wurden 348 Melonen- und 136 Wassermelonenmarker auf den Gurkenchromosomen angeordnet. Basierend auf chromosomalen Evolutionsstudien wurde der Schluss gezogen, dass einige intrachromosomale Umlagerungen stattgefunden haben und eine Reorganisation wahrscheinlich vor der Abweichung von Gurke und Melone stattgefunden hat.

Melone ist die zweite Kürbispflanze, deren Genom sequenziert wurde (Garcia-Mas et al., 2012). Als Melonensorte wurde die homozygote doppelhaploide DHL92-Linie für die 454-Pyrosequenzierung ausgewählt. Eine ganze Genom-Shotgun-Strategie wurde auf das Melonensequenzierungsprojekt angewendet. Die Genomgröße betrug etwa 375 Mb, was 83,3% des gesamten Genoms entspricht. Insgesamt wurden 27.427 proteinkodierende Regionen vorhergesagt. Eine umfassende Genannotation wurde unter Verwendung einer automatischen Pipeline durchgeführt, die eine genaue Identifizierung von Proteinsignaturen, Orthologiegruppen und Stoffwechselwegen ermöglicht. Im Melonengenom wurden 411R-Gene, auch Krankheitsresistenzgene genannt, vorhergesagt. Sie wurden in ihren Funktionen und Domänen klassifiziert. Einige von ihnen enthielten die Nukleotid-Bindungsstelle und Leucin-Rich Repeat (NBS-LRR) und Toll-Interleukin-Rezeptor-Domänen, die eine kanonische Krankheitsresistenz für zytoplasmatische Proteine bieten. Der Rest wurde als Transmembranrezeptoren klassifiziert, einschließlich rezeptorähnlicher Kinasen (RLK), Kinasen und rezeptorähnlicher Proteine. Zusätzlich zu den R-Genen wurden einige Gene identifiziert, die mit Fruchtqualität, Geschmack, Geschmack und Aroma zusammenhängen. Diese Gene waren hauptsächlich mit der Akkumulation von Zucker und Carotinoiden assoziiert, die den charakteristischen süßen Geschmack bzw. die Fleischfarbe von Melonen direkt beeinflussen. Syntenische Beziehungen zwischen Melone und Gurke wurden untersucht und es wurden Übereinstimmungen von fünf Melonenchromosomen mit Gurkenchromosomen mit mehreren inter- und intrachromosomalen Umlagerungen gefunden (Huang et al., 2009; Li et al., 2011a). In der Melonengenomsequenzierungsstudie wurden auch syntenische Beziehungen zwischen Melone und Gurke untersucht. Zu diesem Zweck wurden beide Genome ausgerichtet. In dieser Studie wurde erstmals beobachtet, dass ein hohes Maß an Syntenie bei höherer Auflösung zwischen Melonen- und Gurkengenomen erhalten wurde, was einen einfachen Nachweis kleiner Regionen in Chromosomen ermöglicht. Es erfordert jedoch die Identifizierung und Reinigung der physikalischen Karten und die Sequenzierung anderer Kürbisgewächse, um detaillierte Informationen über die Genomentwicklung der Familie der Kürbisgewächse zu erhalten.