UMD-Wissenschaftler identifizieren Mechanismus, der für die Entwicklung von Früchten und Samen bei Blütenpflanzen verantwortlich ist
Diese Forschung könnte es den Landwirten ermöglichen, die Produktivität zu optimieren und die Lebensfähigkeit von "jungfräulichen Früchten" zu erforschen.
Angesichts des globalen Temperaturanstiegs und des Rückgangs der Bestäuberpopulationen ist die Nahrungsmittelproduktion für die Landwirte weltweit immer schwieriger geworden.
Erdbeeren sind gute Modelle für die Bestäubungsforschung, da ihre Samen auf der Fruchtoberfläche eingebettet sind und die Forscher sie so leichter beobachten können.
Zhongchi Liu
Eine neue Studie von Forschern der Abteilung für Zellbiologie und Molekulargenetik der University of Maryland befasst sich mit diesem Problem und gibt Aufschluss darüber, wie genau Blütenpflanzen Früchte und Samen entwickeln.
"Das Verständnis dieses Prozesses ist besonders wichtig, weil alle gängigen Nahrungspflanzen - wie Erdnüsse, Mais, Reis und Erdbeeren - Früchte und Samen sind, die von Blüten abstammen", sagt Zhongchi Liu, Hauptautor der Studie und Professor für Zellbiologie und Molekulargenetik an der UMD. "Zu wissen, wie Pflanzen 'entscheiden', einen Teil ihrer Blüten in Früchte und Samen zu verwandeln, ist für die Landwirtschaft und unsere Lebensmittelversorgung von entscheidender Bedeutung.
Die von der National Science Foundation finanzierte Studie wurde am 9. Juli 2022 in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
In der Studie wollten Liu und ihr Team herausfinden, wie die Befruchtung - oder Bestäubung - eine blühende Pflanze dazu veranlasst, den Fruchtbildungsprozess zu starten. Das Team vermutete, dass ein internes Kommunikationssystem dafür verantwortlich ist, der Pflanze zu signalisieren, Früchte zu entwickeln, aber die Forscher waren sich nicht sicher, wie dieses System durch Befruchtung oder Bestäubung aktiviert wird.
Um dies herauszufinden, simulierte das Team die Mechanismen der Bestäubung und der Fruchtentwicklung an Erdbeerpflanzen. Erdbeeren eignen sich aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und der Lage der Samen besonders gut für die Modellierung der Befruchtung, so Liu.
"Als 'Inside-out'-Frucht sind Erdbeersamen viel einfacher zu manipulieren und zu beobachten als die Samen anderer Früchte wie Tomaten", erklärt Liu. "Dadurch war es für uns einfacher, die Samen zu betrachten und ihnen genetische Informationen in verschiedenen Stadien der Pflanzenentwicklung zu entnehmen."
Liu und ihr Team identifizierten AGL62, ein Gen, das universell in allen blühenden Pflanzen vorkommt, als Auslöser für die Produktion von Früchten und Samen einer Pflanze.
Laut Liu stimuliert AGL62 die Produktion eines wichtigen Pflanzenwachstumshormons namens Auxin. Sobald das Gen aktiviert ist, wird Auxin synthetisiert, um die Bildung der Samenschale (die äußere Schutzschicht eines Samens), des Endosperms (der Teil eines Samens, der die Nahrung für den sich entwickelnden Pflanzenembryo liefert) und der Frucht auszulösen. Die Rolle von Auxin bei der Regulierung des Endospermwachstums ist für die Forscher von besonderer Bedeutung, da es sich auf die Größe des Korns und die Vergrößerung der Frucht auswirkt.
"Der Auxinspiegel kann begrenzen, wie groß ein Endosperm wachsen kann und wie viele Nährstoffe das Endosperm für einen Pflanzenembryo speichern kann", so Liu. "Mehr Auxin kann die Korngröße erhöhen und die Fruchtvergrößerung anregen. Wenn weniger Auxin vorhanden ist, können die Endospermien die Pflanzenembryonen nicht richtig ernähren, was zu einer geringeren Pflanzenproduktivität führt - kleinere oder deformierte Früchte, die kommerziell nicht verwertbar sind."
Mit Hilfe von CRISPR, einer neuartigen Genmanipulationstechnik, gelang es Lei Guo, dem Erstautor, die Funktion von AGL62 zu unterbrechen. Infolgedessen waren die Erdbeerpflanzen nicht in der Lage, Früchte und Samen zu bilden, was die entscheidende Rolle von AGL62 in diesem Prozess zeigt.
In der Natur löst das AGL62-Gen durch die Bestäubung die Produktion von Auxin aus, ein Prozess, der für eine optimale Frucht- und Samenentwicklung notwendig ist. Durch die Identifizierung dieser Beziehung zwischen Gen und Hormon haben Liu und ihr Team jedoch eine Grundlage geschaffen, die es Landwirten ermöglichen könnte, AGL62 mit Hilfe der Biotechnologie einzuschalten und die Bestäubung zu umgehen - mit anderen Worten, "jungfräuliche" Früchte zu erzeugen.
Liu ist der Ansicht, dass diese Erkenntnisse in einer Zeit, in der die globale Erwärmung die Nahrungsmittelproduktion weltweit beeinträchtigt, besonders wichtig sind.
"Extreme Hitze tötet sowohl die Bestäuber als auch den Pollen selbst, daher ist der Klimawandel eine große Herausforderung für uns", so Liu. "Mehr über das AGL62-Gen zu erfahren, hat uns neue Erkenntnisse darüber verschafft, wie wir die Produktivität landwirtschaftlicher Nutzpflanzen, insbesondere derjenigen, die unsere Nahrungsmittelversorgung ausmachen, potenziell steigern können."
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