02.12.2022 - Boyce Thompson Institute

Gene für die Anpassung von Obst an Dürreperioden finden

Tomaten passen sich an Trockenheit an: Gene identifiziert

Da der Klimawandel voraussichtlich zu häufigeren Dürreperioden führen wird, bemühen sich Forscher zunehmend um Entdeckungen, die Pflanzen helfen können, sich an anhaltenden Wasserstress anzupassen.

Forscher des Boyce Thompson Institute und der Cornell University haben die erste Studie abgeschlossen, die ein umfassendes Bild der Veränderungen der Genexpression als Reaktion auf Wasserstress bei einer Frucht - der Tomate ( Solanum lycopersicum ) - liefert und Gene identifiziert, die Pflanzenzüchtern helfen könnten, Früchte zu entwickeln, die mit Trockenheit zurechtkommen.

Die in der Dezember-Ausgabe der Zeitschrift Plant Physiology veröffentlichte Arbeit wurde vom Forschungsteam unter der Leitung von Carmen Catalá, Assistenzprofessorin am BTI und Senior Research Associate an der School of Integrative Plant Science (SIPS) in Cornell, durchgeführt. Zu den mitwirkenden Forschern gehören Jocelyn Rose, Professorin am SIPS, und die BTI-Professoren Jim Giovannoni, Zhangjun Fei und Lukas Mueller, die ebenfalls als Lehrbeauftragte am SIPS tätig sind.

"Wir haben eine Reihe von Genen identifiziert, die an der Reaktion auf Wasserstress in der Tomatenfrucht beteiligt sind", sagt Catalá. "Wir können jetzt damit beginnen, Kandidatengene auszuwählen, die den Züchtern helfen könnten, Früchte zu entwickeln, die sich an Trockenheit anpassen können, und zwar nicht nur Tomaten, sondern auch Weintrauben, Äpfel und fleischiges Obst im Allgemeinen. Das ist eine langfristige potenzielle Anwendung dieser Daten".

Die Forscher untersuchten die Genexpression in Tomatenblättern und sechs Fruchtorganen (Perikarp, Plazenta, Septum, Columella, Gelee und Samen) zu zwei verschiedenen Zeitpunkten (wachsende und reife Früchte) und unter vier verschiedenen Wasserstressbedingungen (keine, leichte, mittlere und starke).

Die Forscher fanden heraus, dass sich jedes der Fruchtorgane im Laufe der Zeit auf einzigartige Weise verändert.

"Weniger als 1 % der exprimierten Gene, die von Wasserstress betroffen waren, waren in allen sechs Fruchtgeweben zu finden, und mehr als 50 % der betroffenen Gene waren spezifisch für ein einzelnes Gewebe", so Catala.

Im Gegensatz zu den negativen Auswirkungen von Trockenheit, die physiologische Störungen und Fruchtverluste auslösen, gibt es auch einige positive Effekte, die mit Trockenheit verbunden sind - zumindest bei leichter Trockenheit.

So fanden die Forscher beispielsweise heraus, dass Wasserstress die Menge an Lycopin in reifen Früchten erhöht. Lycopin ist ein Antioxidans, das nachweislich positive Auswirkungen auf die Gesundheit hat. Bei Früchten, die unter Wasserstress standen, war auch die Biosynthese von Stärke höher, was zu süßeren Tomaten führen könnte.

Die Forscher fanden auch heraus, dass sie die Tomaten darauf "trainieren" konnten, widerstandsfähiger gegen künftige Dürreperioden zu sein.

"Als wir die Samen der behandelten Pflanzen aussäten, stellten wir fest, dass sich die Sämlinge der gestressten Tomaten besser von Wasserstress erholten als die Sämlinge der Kontrolltomaten", so Philippe Nicolas, Postdoktorand im Labor von Catalá und Erstautor der Studie.

Nicolas sagte, sie hätten mehrere Gene identifiziert, deren Expression durch Wasserstress in reifen Samen induziert wird und die eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Wasserstresstoleranz auf die nächste Pflanzengeneration spielen könnten.

Die Studie war in mancher Hinsicht eine Herausforderung, da die Forscher Früchte untersuchten. In den meisten Studien über die Reaktion von Pflanzen auf Trockenstress werden die Wurzeln und Blätter von Sämlingen untersucht, da sie relativ leicht zu untersuchen sind.

"Es ist relativ einfach, Sämlinge zu stressen, aber wenn man Pflanzen zu sehr stresst, werden sie nicht blühen und keine Früchte entwickeln", so Catalá. "Außerdem muss man, wenn man Früchte untersuchen will, erwachsene Pflanzen züchten, was mehr Zeit, Platz und insgesamt mehr Ressourcen erfordert.

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