Сложное происхождение Apiaceae и текущее состояние исследований

Учёные из Нанкинского сельскохозяйственного университета обобщили текущее состояние исследований семейства Apiaceae (Зонтичные), включая традиционную и молекулярную селекцию, биологически активные соединения, лекарственное применение, нанотехнологии и омиксные исследования. Также описаны современные тенденции в применении и изучении Apiaceae, включая поиск новых функциональных генов и метаболитов с помощью омиксных исследований, идентификацию новых генетических вариантов, связанных с важными агрономическими признаками, с помощью анализа популяционной генетики и полногеномного поиска ассоциаций (GWAS), а также использование генетической трансформации, редактирования генов CRISPR-Cas9 и нанотехнологий.

Согласно предыдущим исследованиям, основные нутрицевтики в растениях Apiaceae включают полифенольные соединения, полиацетилены и терпеноиды. Фенольные соединения вносят вклад в питательные качества овощей и лекарственных растений, а антиоксидантная активность многих Apiaceae также в основном объясняется наличием фенольных соединений.

Некоторые полиацетилены, выделенные из растений Apiaceae, обладают высокой токсичностью для бактерий, грибов и клеток млекопитающих, а также нейротоксичностью, ингибирующим действием на агрегацию тромбоцитов и потенциалом вызывать аллергические кожные реакции. Некоторые терпеноиды специфично распространены в растениях Apiaceae. Антиоксидантные эффекты терпеноидов привели к их использованию в лечении некоторых заболеваний. Овощи семейства Apiaceae также могут производить многие вторичные метаболиты, такие как каротиноиды, антоцианы, терпены и пищевые волокна. Каротиноиды — это природные пигменты, широко распространённые у фотосинтезирующих организмов, которые могут приносить пользу для здоровья.

Антоцианы защищают растения от УФ-излучения, способствуют адаптации растений к абиотическим и биотическим стрессам и замедляют старение растений. Терпены — важная группа вторичных метаболитов, широко распространённая у многих растений. Клеточная стенка растений, содержащая лигнин и целлюлозу, является источником большей части пищевых волокон. Гормоны играют важную роль в биосинтезе лигнина у сельдерея и моркови, а транскрипционные факторы являются важными регуляторами этого процесса. Гипоксия, вызванная повышенной концентрацией CO₂, также может влиять на содержание лигнина у этих видов.

Многие заболевания могут наносить серьёзный ущерб овощным культурам Apiaceae; к ним относятся мучнистая роса (Blumeria graminis f. sp. hordei), Alternaria radicina, ранняя и поздняя гнили, фузариозное увядание. Отбор устойчивых к болезням образцов зародышевой плазмы был наиболее эффективным методом снижения заболеваемости овощей и других продовольственных культур. Некоторые членистоногие вредители также могут наносить значительный экономический ущерб; примеры включают морковную муху (Chamaepsila rosae), морковного долгоносика (Listronotus oregonensis), сельдерейную муху (Euleia heraclei), тлей, совок и хлопковую совку.

Современные молекулярные маркеры широко используются в селекции представителей семейства Apiaceae. Многие молекулярные маркеры использовались по отдельности или в комбинации для изучения генетического разнообразия. Сельскохозяйственные биотехнологии используют различные методы для получения генетически модифицированных растений. Трансгенная технология может применяться для улучшения признаков растений и решения сельскохозяйственных проблем.

Система CRISPR/Cas9 использовалась в растениях для направленного мутагенеза, включая нокаут генов, мультиплексное редактирование генов, а также вставку и делецию крупных фрагментов. Согласно предыдущим исследованиям, нанотехнологии играют жизненно важную роль в сельскохозяйственном производстве, особенно для генной модификации и борьбы с вредителями. Необходимо сокращать потери питательных веществ и повышать урожайность культур с помощью наноматериалов.

Хотя представители Apiaceae имеют широкое географическое распространение и богатую питательную и лекарственную ценность, их геномам посвящено мало исследований. Многие исследования показали, что геномы растений содержат обильные повторяющиеся последовательности. Геномные последовательности и их аннотация предоставили важную информацию для изучения функций генов, регулирующих признаки урожайности и качества садовых культур.

Дальнейшее изучение функций важных генов и селекции, а также сравнительный геномный анализ Apiaceae предоставят новые методы для генетических и селекционных исследований овощных культур и лекарственных растений этого семейства. Использование транскриптомики также позволяет исследователям изучать фенотипические характеристики овощных и лекарственных растений Apiaceae и физиологические функции их генов. Технология транскриптома использовалась в исследованиях стрессовых реакций, развития корня и биосинтеза лигнина у моркови.

Протеомика сейчас считается одним из наиболее важных «постгеномных» подходов для лучшего понимания функции генов. Протеомика широко используется для изучения растений Apiaceae, а сравнительный протеомный анализ дал новые возможности для поиска генов у моркови. Метаболомика охватывает все химические реакции, происходящие в клетках, а метаболиты растений использовались в качестве химических маркеров для различения различий между овощными и лекарственными растениями семейства Apiaceae. Метаболомный анализ показал, что дикая и культурная морковь демонстрируют различия в метаболитах, которые соответствовали их генотипам.

«Овощи и лекарственные растения — это важнейшие продукты для здоровья человека, они могут обеспечивать различные необходимые питательные вещества и нутрицевтики. С усилением сознательности людей в вопросах здоровья растёт разнообразие, качество, питательная и лекарственная ценность овощей и лекарственных растений. Исследования овощных и лекарственных растений становятся всё более важными», — сказал профессор Сюн. Это исследование служит ориентиром для фундаментальных и прикладных исследований овощных и лекарственных растений семейства Apiaceae.

Результаты были опубликованы в журнале Horticulture Research.