Citrullus lanatus

1 Johdanto

Cucurbitaceae-heimo, jota kutsutaan myös Cucurbitaceae-heimoksi, koostuu taloudellisesti arvokkaista kasveista, kuten Cucumis sativus L. (kurkku), Cucumis melo L. (meloni), Citrullus lanatus (vesimeloni), Lagenaria siceraria (calabash) ja Cucurbita spp. (squash ja kurpitsa). Heimossa on yhteensä 98 sukua ja noin 975 lajia. Heimon lajia käytetään pääasiassa ravinnoksi ja lääkinnällisiin tarkoituksiin. Maailman Cucurbitaceae-heimon (mukaan lukien hedelmät, vihannekset ja siemenet) tuotanto oli noin 233 miljoonaa tonnia, jota viljeltiin 10 miljoonalla hehtaarilla maata vuonna 2014 (http://faostat.fao.org). Koska ne osoittavat sukupuolen ilmaisun ja pitkän matkan signalointitapahtumien suurta monimuotoisuutta, Cucurbitaceae-heimon jäseniä pidetään malliorganismeina, ja ne on valittu sukupuolen määrittämiseen (Tanurdzic and Banks, 2004) ja kasvien verisuonibiologian tutkimuksiin (Lough and Lucas, 2006). Kurkun genomi oli ensimmäinen sekvensoitu perimä cucurbitsien perheenjäsenten keskuudessa (Huang et al., 2009)ja sen genomista tuli seitsemäs valmistunut kasvien genomiprojekti mallikasvien joukossa, mukaan lukien Arabidopsis thaliana, poppeli, grapevine, papaija, riisi ja durra (Baloglu et al., 2014). Toinen ja kolmas valmistunut genomin sekvensointihanke kuuluvat melonille (Garcia-Mas et al., 2012)ja vesimeloni (Guo et al., 2013). Vuonna 2013 vertailua varten jaksotettiin jälleen 115 kurkkulinjaa ja villikurkkugenomia. Tutkimuksessa on korostettu kurkun evoluutiota ja kesyyntymistä (Qi et al., 2013). Nämä tutkimukset ovat virstanpylväs Cucurbitaceae-heimon genomiikassa. Lisäksi on olemassa joitakin tutkimuksia, jotka liittyvät yhden nukleotidin polymorfismin (SNP) genotyypin määritykseen ja kvantitatiiviseen piirteen lokuksen (QTL) kartoitukseen. Nämä ovat esimerkkejä tällaisista tutkimuksista. Kurpitsa, joka tunnetaan myös nimellä Talvikurpitsa, on toinen cucurbits-suvun jäsen, jonka tiheän geneettisen kartan on tuotettu genomisekvenssien avulla (Zhang et al., 2015b). Calabashin (pullokurpitsa) osittainen genomin sekvensointi valmistui vuonna 2011 (Xu et al., 2011). Kesäkurpitsalle (”Cucurbita pepo”) on tehty SNP-pohjainen geenikartta, joka kuuluu Cucurbitaceae-heimoon. Käyttämällä Illumina GoldenGate alusta, QTL analyysi on myös suoritettu (Esteras et al., 2012).

ensimmäinen valmistunut Cucurbitaceae-heimon genomiprojekti kuuluu kurkkukasveihin. Kurkun seitsemän kromosomia on sekvensoitu kahden tekniikan yhdistelmällä, mukaan lukien tavanomainen Sanger-sekvensointi ja seuraavan sukupolven Illumina-sekvensointi kurkkulajikkeessa C. sativus var. sativus L., joka tunnetaan nimellä kiinalainen pitkä sisäsiittoinen linja 9930 (Huang et al., 2009). Vaikka suuri genomin kattavuus (noin 72,2-kertainen) on saatu, vain pieni määrä geenejä on tunnistettu, koska koko genomista ja tandem-kaksoiskappaleista oli tuohon aikaan vain vähän tietoa. Kurkun kootussa genomissa ennustettiin noin 26 682 geeniä, joiden pituus oli 243,5 Mb. Eristettyjen tumakkeiden virtaussytometriatutkimuksen mukaan kurkun todellisen genomin kooksi on laskettu 367 Mb (Arumuganathan and Earle, 1991). Siksi kurkun koottu genomi on lähes 30 prosenttia pienempi kuin sen todellinen genomikoko. Geenien ennustamisessa käytettiin erilaisia menetelmiä, kuten cDNA-EST, homologiapohjainen ja ab initio. Noin 82% geeneistä on toiminnallisesti luokiteltu tai niiden homologeja on löydetty vastaavista tietokannoista kuten TrEMBL ja InterPro. Lisäksi on tunnistettu RNA-molekyylejä, kuten ribosomaalinen RNA, siirtäjä-RNA, pieni nukleolaarinen RNA, pieni ydin-RNA ja mikroRNA (miRNA) – geenejä. Noin 15 669 geeniperhettä on ennustettu. Yhteensä 4362 ja 3784 sukua kuuluvat kurkku-uniikkiperheisiin ja yhden geenin sukuihin. Eniten synteniaa havaittiin kurkun ja papaijan välillä 9842 synteenilohkolla. Lisäksi arabidopsiksessa, poppelissa, viiniköynnöksessä ja riisissä oli synteeniä kurkun kanssa. Tulokset korreloivat myös näiden kasvien fylogeneettisten etäisyyksien kanssa kurkkuun. Kurkku ja meloni kuuluvat samaan sukuun. Vaikka kurkku, meloni ja vesimeloni kuuluvat samaan sukuun, kurkusta, melonista ja vesimelonista löytyy yhteensä 7, melonista 12 ja vesimelonista 11 kromosomia. Kurkun kromosomeihin oli järjestetty yhteensä 348 melonin ja 136 vesimelonin merkkiainetta. Kromosomien evoluutiotutkimusten perusteella pääteltiin, että joitakin intrakromosomien uudelleenjärjestelyjä on tapahtunut ja uudelleenjärjestelyjä on todennäköisesti tapahtunut ennen kurkun ja melonin poikkeamista.

meloni on toinen Cucurbitaceae, jonka perimä on sekvensoitu (Garcia-Mas et al., 2012). Melonilajikkeeksi valittiin homotsygoottinen dhl92-tupla-haploidi linja 454 pyrosekvenssiin. Melonin sekvensointiprojektissa sovellettiin koko genomihaulikon strategiaa. Kootun genomin koko oli noin 375 Mb, mikä on 83,3% melonin genomista. Proteiinia koodaavia alueita on ennustettu yhteensä 27 427. Tyhjentävä geenimerkintä on tehty käyttämällä automaattista putkea, joka mahdollistaa proteiinijälkien, ortologiaryhmien ja aineenvaihduntareittien tarkan tunnistamisen. Melonin genomissa ennustettiin 411r-geenejä, joita kutsutaan myös tautiresistenssigeeneiksi. Ne luokiteltiin tehtäviensä ja toimialueidensa mukaan. Osa niistä sisälsi nukleotideihin sitoutumiskohdan ja leusiinipitoisia toistoja (NBS-LRR) ja Toll-interleukiinireseptoridomeeneja, jotka tarjoavat kanonisen tautiresistenssin sytoplasmaproteiineille. Loput luokiteltiin transmembraanireseptoreiksi, joihin kuuluivat muun muassa reseptorin kaltaiset kinaasit (RLK), kinaasit ja reseptorin kaltaiset proteiinit. R-geenien lisäksi tunnistettiin joitakin hedelmien laatuun, makuun, makuun ja aromiin liittyviä geenejä. Nämä geenit liittyivät pääasiassa sokerin ja karotenoidien kertymiseen, jotka vaikuttavat suoraan melonien tyypilliseen makeaan makuun ja lihan väriin. Melonin ja kurkun välisiä synteenisiä suhteita tutkittiin ja esivanhempien viisi melonikromosomia täsmäsi kurkun kromosomeihin, joissa oli useita intrakromosomien uudelleenjärjestelyjä (Huang et al., 2009; Li et al., 2011a). Melonin genomin sekvensointitutkimuksessa tutkittiin myös melonin ja kurkun välisiä synteenisiä suhteita. Tätä tarkoitusta varten molemmat genomit olivat linjassa keskenään. Tässä tutkimuksessa havaittiin ensin, että melonin ja kurkun genomien välillä saatiin suuri määrä synteniaa korkeammalla resoluutiolla, mikä mahdollistaa pienten alueiden helpon havaitsemisen kromosomeissa. Se vaatii kuitenkin fyysisten karttojen tunnistamista ja puhdistamista sekä muiden Cucurbitaceae-heimon jäsenten sekvensointia, jotta saadaan yksityiskohtaista tietoa Cucurbitaceae-heimon perimän kehityksestä.