Tomaten sind weltweit ein Grundnahrungsmittel und ein wesentlicher Bestandteil einer nachhaltigen Landwirtschaft. Jetzt haben Wissenschaftler des Boyce Thompson Institute (BTI) Einblicke in eine seit langem bekannte Mutation bei Tomaten gewonnen und damit das Potenzial für eine verbesserte Fruchtqualität und Stressresistenz freigesetzt.
„Was als Neugier auf einen faszinierenden Mutanten begann, hat sich zu einer potenziell transformativen Entdeckung für eine nachhaltige Landwirtschaft entwickelt“, sagte die leitende Forscherin Carmen Catalá, außerordentliche Assistenzprofessorin am BTI und Senior Research Associate an der School of Integrative Plant Science in Cornell.
Die Untersuchung, veröffentlicht in der Zeitschrift für experimentelle Botanik, konzentrierte sich auf die Entschlüsselung des Geheimnisses einer Tomatenmutante namens „Adpressa“, die erstmals in den 1950er Jahren entdeckt wurde. Der Mutant erregte aufgrund einer ungewöhnlichen Eigenschaft Aufmerksamkeit: Adpressa-Pflanzen sind nicht in der Lage, die Schwerkraft zu spüren. Diese Pflanzen wachsen oft in Bodennähe und nicht in den Himmel. Daher vermittelt ihr Name die Angewohnheit, flach (an den Boden gedrückt) zu sein.
Das von Catalá geleitete Team, zu dem auch die BTI-Postdoktoranden Philippe Nicolas und Richard Pattison gehörten, begann damit, die genaue genetische Veränderung aufzudecken, die diesen faszinierenden Effekt verursacht. Sie fanden heraus, dass die Mutation die Synthese von Stärke, einer Speicherform von Zucker, blockiert.
Das Team ging noch einen Schritt weiter und nutzte die Mutation, um grundlegende Fragen zur Fruchtbiologie zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Mutante erhebliche transkriptionelle und metabolische Anpassungen aufweist, darunter einen erhöhten Gehalt an löslichem Zucker und ein verstärktes Wachstum. Überraschender war die Entdeckung einer vollständigen Resistenz gegen Blütenendfäule (BER), eine physiologische Störung, die zu einer Verschlechterung der Zellmembranen der Früchte und zu einem trockenen, schwarzen und eingefallenen Bereich auf der Unterseite der Tomaten führt.
Das häufig von Gärtnern und kommerziellen Züchtern beobachtete BER-Vorkommen ist schwer vorherzusagen, steht jedoch in direktem Zusammenhang mit Umweltbelastungen wie Temperatur oder unregelmäßiger Bewässerung. BER betrifft auch andere Obst- und Gemüsesorten, darunter Paprika, Kürbis, Gurken und Melone. Obwohl diese komplexe Störung intensiv untersucht wurde, sind die Mechanismen, die der BER-Entwicklung zugrunde liegen, nicht vollständig geklärt.
„Unsere Ergebnisse mit der Adpressa-Mutante sind recht vielversprechend. Im Gegensatz zu dem, was bisher angenommen wurde, veränderte der Mangel an Stärke die Fruchtentwicklung und -reife nicht. Tatsächlich waren Adpressa-Früchte etwas größer und sammelten während des Wachstums mehr Zucker an. Die bemerkenswerteste Entdeckung ist die Resistenz gegen Blütenendfäule. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Wege zur Verbesserung des Fruchtertrags und der Fruchtqualität, insbesondere unter stressigen Umweltbedingungen“, bemerkte Nicolas.
Das Forschungsteam am BTI arbeitete mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts in Deutschland, des Instituto de Hortofruticultura Subtropical y Mediterránea „La Mayora“ in Málaga, Spanien, und des US-Landwirtschaftsministeriums zusammen. Gemeinsam nutzten sie fortschrittliche Genom- und Stoffwechselanalysetools, um zu untersuchen, wie sich die Mutation auf die Fruchtentwicklung auswirkt.
„Der komplizierte Zusammenhang, den wir zwischen dem Zuckerstoffwechsel und der Resistenz gegen Zellschäden im Fruchtgewebe beobachtet haben, ist besonders faszinierend. Diese Studie zeigt das Potenzial für die Entwicklung oder Züchtung von Tomaten, die den Herausforderungen der Umwelt besser standhalten können“, sagte Nicolas.
Das Team arbeitet nun daran, zu verstehen, warum diese Mutanten gegen abiotischen Stress resistent sind, und hofft, Zielgene oder Verbindungen zu finden, die eine wesentliche Rolle bei der BER-Resistenz spielen.
„Wir hoffen, dass diese Entdeckung zu neuen Ansätzen bei der Schaffung von Pflanzen führen wird, die gegen Blütenendfäule und andere Arten von stressbedingten Schäden resistent sind“, sagte Catalá. „Es käme nicht nur Gärtnern und kommerziellen Erzeugern zugute, sondern hätte auch erhebliche Auswirkungen in Ländern mit ungünstigen Wachstumsbedingungen, in denen Kleinbauern nicht über die Ressourcen verfügen, um ihre Pflanzen vor Umweltproblemen wie Dürre zu schützen.“
Mehr Informationen:
Philippe Nicolas et al., Stärkemangel bei Tomaten führt zu einer Neuprogrammierung der Transkription, die die Fruchtentwicklung, den Stoffwechsel und die Stressreaktionen moduliert. Zeitschrift für experimentelle Botanik (2023). DOI: 10.1093/jxb/erad212