Citrullus lanatus

1 Introduzione

La famiglia Cucurbitaceae, chiamata anche cucurbitacee, è composta da piante economicamente preziose come Cucumis sativus L. (cetriolo), Cucumis melo L. (melone), Citrullus lanatus (anguria), Lagenaria siceraria (calabash) e Cucurbita spp. (zucca e zucca). Un totale di 98 generi e circa 975 specie si trovano in questa famiglia. Questa specie di famiglia è utilizzata principalmente per scopi alimentari e medicinali. La produzione globale di cucurbite (inclusi frutta, verdura e semi) è stata di circa 233 milioni di tonnellate, che sono state coltivate in 10 milioni di ettari di terreno in 2014 (http://faostat.fao.org). Poiché mostrano un’alta diversità di espressione sessuale e di eventi di segnalazione a lunga distanza, i membri della famiglia Cucurbitaceae sono considerati organismi modello e sono stati selezionati per la determinazione del sesso (Tanurdzic e Banks, 2004) e gli studi di biologia vascolare vegetale (Lough e Lucas, 2006). Il genoma del cetriolo è stato il primo genoma sequenziato tra i membri della famiglia cucurbitacee (Huang et al., 2009) e il suo genoma è diventato il settimo progetto di genoma vegetale completato tra le piante modello tra cui Arabidopsis thaliana, pioppo, vite, papaia, riso e sorgo (Baloglu et al., 2014). Il secondo e il terzo progetto di sequenziamento del genoma completato appartengono a melon (Garcia-Mas et al., 2012) e anguria (Guo et al., 2013), rispettivamente. Nel 2013, 115 linee di cetriolo e genomi di cetriolo selvatico sono stati nuovamente sequenziati per il confronto. In quello studio, l’evoluzione del cetriolo e l’addomesticamento sono stati evidenziati (Qi et al., 2013). Questi studi sono una pietra miliare nella genomica della famiglia Cucurbitaceae. Inoltre, ci sono anche alcuni studi relativi alla genotipizzazione del polimorfismo a singolo nucleotide (SNP) e alla mappatura del trait locus quantitativo (QTL). Questi sono esempi di tali studi. La zucca, nota anche come zucca invernale, è un altro membro della famiglia delle cucurbitacee la cui mappa genetica ad alta densità è stata prodotta utilizzando sequenze del genoma (Zhang et al., 2015b). Il sequenziamento parziale del genoma di calabash (bottle gourd) è stato completato nel 2011 (Xu et al., 2011). Una mappa genetica basata su SNP è stata costruita per la zucca estiva (Cucurbita pepo), che è un membro della famiglia delle cucurbite. Utilizzando una piattaforma Illumina GoldenGate, è stata eseguita anche l’analisi QTL (Esteras et al., 2012).

Il primo progetto genoma completato della famiglia Cucurbitaceae appartiene alla pianta di cetriolo. Sette cromosomi di cetriolo sono stati sequenziati utilizzando una combinazione di due tecniche tra cui il sequenziamento Sanger convenzionale e il sequenziamento Illumina di nuova generazione nella cultivar di cetriolo C. sativus var. sativus L., noto come linea cinese lunga inbred 9930 (Huang et al., 2009). Sebbene sia stata ottenuta un’elevata copertura del genoma (circa 72,2 volte), solo una piccola quantità di geni è stata identificata a causa delle informazioni limitate sull’intero genoma e sulle duplicazioni in tandem in quel momento. Approssimativamente, 26.682 geni sono stati previsti nel genoma assemblato del cetriolo, che era lungo 243,5 Mb. Secondo l’analisi della citometria a flusso di nuclei isolati, la dimensione effettiva del genoma del cetriolo è stata calcolata come 367 Mb di lunghezza (Arumuganathan e Earle, 1991). Pertanto il genoma assemblato del cetriolo è quasi il 30% più piccolo della sua dimensione effettiva del genoma. Per la previsione genica, sono stati utilizzati diversi metodi tra cui cDNA-EST, homology based e ab initio. Circa l ‘ 82% dei geni sono stati classificati funzionalmente o i loro omologhi sono stati trovati in database correlati come TrEMBL e InterPro. Inoltre, sono state identificate molecole di RNA come RNA ribosomiale, RNA di trasferimento, piccolo RNA nucleolare, piccolo RNA nucleare e geni microRNA (miRNA). Sono state previste circa 15.669 famiglie geniche. Un totale di 4362 e 3784 famiglie appartengono rispettivamente a famiglie uniche di cetrioli e famiglie monogeniche. Il più alto tasso di synteny è stato osservato tra cetriolo e papaya con 9842 blocchi sintenici. Inoltre, Arabidopsis, pioppo, vite e riso hanno mostrato synteny con cetriolo. Questi risultati correlano anche con le distanze filogenetiche di queste piante al cetriolo. Cetriolo e melone si trovano nello stesso genere. Sebbene cetriolo, melone e anguria appartengano alla stessa famiglia, un totale di 7, 12 e 11 cromosomi si trovano rispettivamente in cetriolo, melone e anguria. Un totale di 348 marcatori di melone e 136 anguria sono stati disposti sui cromosomi di cetriolo. Sulla base di studi sull’evoluzione cromosomica, si è concluso che alcuni riarrangiamenti intracromosomici hanno avuto luogo e la riorganizzazione si è probabilmente verificata prima della deviazione del cetriolo e del melone.

Il melone è la seconda cucurbita il cui genoma è stato sequenziato (Garcia-Mas et al., 2012). Come cultivar di melone, la linea omozigote DHL92 doppio-aploide è stata selezionata per 454 pyrosequencing. Una strategia di fucile intero genoma è stato applicato al progetto di sequenziamento melone. La dimensione del genoma assemblato era di circa 375 Mb, che rappresenta l ‘ 83,3% del genoma del melone. Sono state previste un totale di 27.427 regioni codificanti proteine. L’annotazione genica esaustiva è stata eseguita utilizzando una pipeline automatica che consente un’identificazione accurata delle firme proteiche, dei gruppi di ortologia e delle vie metaboliche. Nel genoma del melone sono stati previsti i geni 411R, chiamati anche geni di resistenza alle malattie. Sono stati classificati nelle loro funzioni e domini. Alcuni di essi contenevano il sito di legame del nucleotide e la ripetizione ricca di leucina (NBS-LRR) e i domini del recettore dell’interleuchina Toll, che forniscono resistenza alle malattie canoniche per le proteine citoplasmatiche. Il resto è stato classificato come recettori transmembrana, comprese le chinasi simili ai recettori (RLK), le chinasi e le proteine simili ai recettori. Oltre ai geni R, sono stati identificati alcuni geni correlati alla qualità, al gusto, al sapore e all’aroma della frutta. Questi geni erano principalmente associati all’accumulo di zucchero e carotenoidi, che influenzano direttamente il caratteristico sapore dolce e il colore della carne dei meloni, rispettivamente. Sono state esaminate le relazioni sinteniche tra melone e cetriolo e sono state trovate corrispondenze ancestrali di cinque cromosomi di melone con cromosomi di cetriolo con diversi riarrangiamenti inter – e intracromosomi (Huang et al., 2009; Li et al., 2011a). Nello studio di sequenziamento del genoma del melone sono state esaminate anche le relazioni sinteniche tra melone e cetriolo. A tale scopo, entrambi i genomi sono stati allineati. In questo studio, è stato osservato per la prima volta che è stato ottenuto un grande livello di synteny a risoluzione più elevata tra i genomi di melone e cetriolo, che fornisce un facile rilevamento di piccole regioni nei cromosomi. Tuttavia, richiede l’identificazione e la purificazione delle mappe fisiche e il sequenziamento di altri membri cucurbitacee per ottenere informazioni dettagliate sull’evoluzione del genoma della famiglia Cucurbitaceae.