4.3.1. Твердость и физиологические факторы

Яблоки, обработанные 1-метилциклопропеном (МЦП), ингибирующим действие этилена, размягчаются медленнее и по сравнению с необработанными яблоками ха­рактеризуются пониженной концентрацией этилена. Твердость яблок, обработанных МЦП повторно во время хранения, выше, чем у яблок, обработанных однократно сра­зу же после сбора [51]. Было показано, что этилен необходим для продуцирования полигалактуроназы (ПГ) даже на поздней стадии созревания [29]. МЦП-обработка плодов томатов замедляет развитие цвета, размягчение и продуцирование этилена от технической до потребительской стадий зрелости. МЦП оказывает тормозящее воз­действие на созревание, продолжающее 5-7 дней, даже на поздних стадиях зрелости, и этот эффект можно продлить путем дополнительной обработки [30]. Тот факт, что МЦП может применяться для замедления созревания на различных стадиях зрело­сти и он не отнесен к токсическим веществам, делает этот метод привлекательным для ето дальнейшего совершенствования и применения на практике. МЦП уже одоб­рен Управлением по охране окружающей среды и поступает на рынок под маркой Smart Fresh, Еще один метод повышения твердости и сохранения цвета томатов пред­ложен в работе [46] и заключается в обработке томатов определенной дозой ультра­фиолетового излучения. Это позволяет на 7 сут задержать климактерическую реак­цию, сопровождавшуюся снижением интенсивности дыхания и продуцирования эти­лена. Замедление развития цвета и размягчения в данном случае приписывается под­держанию высокого уровня путресцина, физиологическая функция которого проти­воположна этилену.

Упаковка плодов с использованием РГС, обеспечивающая повышенную концен­трацию в упаковке диоксида углерода и пониженное содержание кислорода и этиле­на, может замедлять потерю качества в послеуборочный период у широкого спектра продуктов [37]. Изменение состава газовой среды зависит от проницаемости упако­вочной пленки, интенсивности дыхания, характеристик диффузии газа и состава среды внутри упаковки. При использовании газовой среды с различными характе­ристиками отмечается тесная взаимосвязь между скоростями размягчения и газооб­мена яблок сорта Braebuhr [28]. Это свидетельствует о том, что размягчение фруктов непосредственно (метаболически) связано с газообменом. Применение упаковки с РГС в сочетании с абсорбентом (природной глиной), поглощающим воду и летучие вещества, улучшает характеристики твердости малины по сравнению с использова­нием упаковки только с РГС [86].

4.3.2. Твердость и генетические факторы

Плоды обычно подразделяют на климактерические (характеризующиеся повышен­ными интенсивностью дыхания и биосинтезом этилена) и неклимактерические (без биосинтеза этилена). Хотя последние могут реагировать на этилен, для их созрева­ния этилен не требуется. И наоборот, этилен необходим для координации и заверше­ния созревания климактерических фруктов. Это было продемонстрировано при изучении трансгенных (климактерических) томатов с заблокированным синтезом этилена. Этилен синтезируется из S-аденозил-L-метионина при участии двух фер­ментов – АСС-синтетазы и АСС-оксидазы. Снижение продуцирования этилена в процессе созревания приводит к подавлениюантисмысловых линий АСС-синтетазы и АСС-оксидазы [55]. Прямая корреляция между твердостью и образованием этиле­на была установлена после обнаружения в томатах мутации Nr (от Never ripe – букв, «никогда не созревающий»). У арабидопсиса (Arabidipsis) клонированный ген Nr кодирует белок гомологично рецептору этилена (ETR1), но в нем отсутствуют домен реагирующего регулятора, обнаруженный в ETR1, и связанные транспортеры сигна­ла. Замена всего лишь одной аминокислоты, экспрессированная в трансгенных рас­тениях, обеспечивает томатам нечувствительность к этилену [94].

У томатов мутант Nrотносят к классу одногенных мутаций. Мутанты rin (ripening inhibitor, «ингибитор созревания»), nor (поп-ripening, «не созревающий»), Nr и Cnr (colorless non-ripening , «бесцветный не созревающий») изучены достаточно хорошо. Мутанты rinу плодов и мутанты nor у томатов не способны синтезировать этилен и не созревают даже в случае его экзогенного применения. Тем не менее, при экзогенном применении этилена наблюдаются некоторые проявления чувствитель­ности к этилену, включая индицирование генов, им регулируемых [97]. Таким обра­зом, возможно, что некоторые процессы созревания протекают независимо от этиле­на. Мутации rin и nor представляют гены, работающие в начале пути биосинтеза эти­лена. Ген, соответствующий мутации rin, был клонирован, и оказалось, что созревание контролируется, в частности, транскрипционным фактором, располо­женным в MADS-боксе (регуляторном участке ДНК) [52]. Представляет интерес тот факт, что гомолог RIN-гена выделен и в землянике, неклимактерическом растении, что дает возможность предположить наличие общего механизма регуляции созрева­ния у всех плодов [92]. Мутации rin и nor широко использовались для создания гиб­ридов томатов с улучшенными показателями твердости [74]. Мутант Спr характери­зуется твердыми плодами со значительно пониженным межклеточным сцеплением (что проявляется их в рыхлой текстуре) и полным отсутствием биосинтеза каротиноидов [17]. Рыхлость фенотипа Спr отражает значительные изменения в структуре клеточных оболочек перикарпия (околоплодника) и специфические изменения в структуре пектина [56]. По-видимому, изменения, происходящие в ходе созревания Сnr-плодов, приводят к дефициту пектинов, поперечно-связанных кальцием, что влияет на способность поддерживать межклеточное сцепление. Клетки зрелых Сnr-плодов не разрываются, а отделяются по срединной ламелле, что и формирует рыхлую структуру [75].

Исследования трансгенных плодов дают ценную информацию о значимости оп­ределенных ферментов с точки зрения их вклада в формирование твердости. Очень важной областью, от которой зависит сохранение межклеточного сцепления и «упа­ковка» клеток в плодовых тканях является срединная ламелла, основными компо­нентами которой являются пектиновые полимеры [91]. Размягчение обычно связы­вают с увеличением содержания водорастворимых пектинов в начальной стадии со­зревания. Ранее считалось, что ферментом, регулирующим растворимость пектинов и, следовательно, размягчение, является полигалактуроназа. Электронная микро­скопия показала, что обработка неспелых плодов полигалактуроназой вызывает раз­рушение срединной ламеллы, подобное наблюдаемому в спелых яблоках [2]. Тем не менее изоляция генов и изучение функциональных характеристик полигалактуро­назы в трансгенных томатах (мутантов rin) свидетельствуют о том, что для инициа­ции размягчения одной полигалактуроназы недостаточно, и, по-видимому, в этом процессе участвуют дополнительные факторы [23]. В метаболизм клеточных стенок вовлечен другой фермент, пектинметилэстераза, который может либо повышать доступность полигалактуроназы для ее пектинового субстрата [91], либо вызывать деэтерификацию областей высокометоксилированных пектинов, что может прояв­ляться в их набухании и растворении [98]. Антисмысловое подавление пектинметилэстеразы плодов томатов приводит к снижению расщепления пектинов, но проис­ходящее при этом подавление полигалактуроназы не меняет дополнительных ха­рактеристик созревания, в том числе размягчение [80]. Роль дополнительных ферментов в яблоках рассматривалась в работе [35], но, по-видимому, ни один из них не является специфическим для размягчения. Во многих модификациях кле­точных стенок в ходе созревания участвуют экспансины – белки, способные ослаб­лять клеточные стенки [12]. Были выделены гены экспансинов томатов и земляни­ки, регулируемые в ходе созревания плодов в начале пути биосинтеза [11, 68]. По­давление в томатах специфичного к созреванию плодов экспансина Ехр1, приводит к снижению размягчения, а суперэкспрессия – к его повышению, включая размягче­ние уже сформированных зеленых плодов [4]. Трансгенный сайленсинг гена экспан­сина LeExp1 проявлялся в большей твердости плодов томатов. При подавлении экс­прессии LeExp1 не отмечается изменений размеров плодов и их количества на расте­нии, а срок хранения увеличивается на 5-10 сут [5]. В регулировании активности ферментов, модифицирующих клеточные стенки, участвуют GTP-азы. Плоды антисмысловых томатов меняют цвет обычным образом, но не способны нормально раз­мягчаться. Это сопровождается снижением содержания в клеточных стенках двух гидролаз – пектинэстеразы и полигалактуроназы [45].

В мягких плодах (например, в землянике) полигалактуроназа присутствует в ед­ва различимых количествах [54], и более важную роль в размягчении играют такие ферменты, как пектатлиаза. У трансгенных растений с внедренной антисмысловой последовательностью гена пектатлиазы земляники под контролем промотора 35S отмечено пониженное размягчение плодов [34]. В случае трансгенных растений ана­лиз in vitro свидетельствует о меньшем набухании и пониженном количестве ионосвязанных пектинов. Относительно недавно были выделены два клона (гена) пек­татлиазы земляники [3]. Атмосфера, обогащенная СО2, способствует твердости пло­дов земляники [77]. Интересно, что экспрессия обоих генов пектатлиазы значитель­но снижает продолжительность послеуборочного хранения ягод при высоком содер­жании СО2.

Анализ QTL (Quantitative Trait Loci, локусы количественных признаков) позво­ляет выделить участки генома, влияющие на вариативность признака. Анализ QТL томатов свидетельствует, что вариативность органолептического качества, опреде­лявшегося физическими и органолептическими методами, контролируют несколь­ко участков хромосом. Значительное влияние на сочность плодов оказывает участок вблизи локуса Сnr на хромосоме 2 [6]. Генетическая составляющая вариации твердо­сти яблок, измерявшаяся с помощью пенетрометра, и их жесткость (определявшая­ся методом акустического резонанса и органолептически) описаны в работе [40]. Из­меряемая пенетрометром твердость плода объединяет в себе компрессионную жест­кость и сопротивление сдвигу. Это комплексное измерение нашло отражение в анализах QTL, где значимые показатели QTL наблюдаются для трех групп сцепле­ний из предварительно подготовленной их карты [47]. Высоко значимый показатель QTL выявлен для степени хруста, сочности, рыхлости (пористости) и общей прием­лемости. Последующие исследования подтвердили, что этот единственный значи­мый показатель QTL имеет высокую степень корреляции с сочностью и хрустом пло­да [41].