Wie erfahrene Gärtner wissen, entwickeln sich Brokkoliköpfe nicht richtig und können Blumenkohl ähneln, wenn sie bei höheren Temperaturen angebaut werden.
Eine neue Studie identifiziert die genetischen Grundlagen dafür, warum Brokkoliköpfe bei Hitze abnormal werden, gibt Einblick in die Auswirkungen der klimabedingten Erwärmung auf alle Nutzpflanzen und weist den Weg für die Züchtung hitzebeständiger neuer Sorten.
Brokkoli wächst am besten, wenn er im kühlen Frühjahr oder Spätsommer bis in den Herbst gepflanzt wird. Die Forscher fanden heraus, dass Brokkoli zwar bei Durchschnittstemperaturen von 61 Grad Fahrenheit normal wächst, seine Kronen sich jedoch bei 22 Grad Fahrenheit zu verformen beginnen und bei 30 Grad Fahrenheit dichte blumenkohlartige Köpfe (Quark genannt) bilden.
Die Forscher wandten dann 5-Azacytidin an, eine Chemikalie, von der bekannt ist, dass sie einen Prozess namens DNA-Methylierung hemmt, bei dem eine Methylgruppe – ein kleines Molekül – an die DNA angefügt wird. Methylierung ist ein Mechanismus zum An- und Abschalten von Genen; in diesem Fall unterdrückt es eine Gruppe von Genen, die für die normale Produktion von Brokkoliköpfen erforderlich sind. Wenn 5-Azacytidin verabreicht wurde, wuchsen normale Brokkoliköpfe sogar bei 82 Grad F, was darauf hindeutet, dass Methylierung hinter dem abnormalen Wachstum in Gegenwart von Hitze stand.
„Sobald wir den Mechanismus besser verstehen, sollten wir in der Lage sein, Wege zu entwickeln, um eine neue Biotechnologie zu entwickeln, einen molekulargenetischen Ansatz zur Unterdrückung der DNA-Methylierung, um Pflanzen zu züchten, die bei viel wärmeren Temperaturen und in größeren Regionen wachsen“, sagte Susheng Gan , Professor an der Abteilung für Pflanzenbiologie der School of Integrative Plant Science am College of Agriculture and Life Sciences und Mitautor des am 22. Dezember in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels Molekularer Gartenbau.
Liping Chen, Professor für Gemüsewissenschaften an der Zhejiang-Universität in Hangzhou, China, ist der andere korrespondierende Autor.
Erwärmungstemperaturen wirken sich auf alle Aspekte des Wachstums und der Entwicklung von Pflanzen aus. Die Blütenentwicklung ist besonders komplex und temperaturempfindlich, da Hitze die Qualität und den Ertrag von Gemüse wie Brokkoli verringert, bei dem der gesamte Blütenkopf – einschließlich Stängel, Stängel, Blätter und Blüten – gegessen wird. Obwohl weitere Studien erforderlich sind, glaubt Gan, dass bei höheren Temperaturen die DNA-Methylierung von Genen, die an der Blütenentwicklung beteiligt sind, bei allen Pflanzen konserviert werden kann.
In der Studie profilierten die Forscher Brokkoli-Pflanzen (Brassica oleracea) mithilfe von Ganzgenom-Sequenzierungstechnologien, die das Methylom der Pflanze – wo im Genom die Methylierung stattfand – und ihr Transkriptom identifizierten – das identifiziert, welche Gene eingeschaltet sind. Sie fanden heraus, dass die anormale Blütenentwicklung bei Brokkoli durch eine Reihe von mit der Beendigung der Blütenentwicklung assoziierten Genen (FCGs) reguliert wurde. Bei 61 Grad F entwickelten sich Brokkoliköpfe (seine Blütenknospe) normal. Bei 82 Grad F und in geringerem Maße bei 72 Grad F wurde die Methylierung genetischer Elemente, die FCGs aktivierten, unterdrückt.
Beim Anbau bei wärmeren Temperaturen beschränkt sich die Blütenentwicklung auf frühere Entwicklungsstadien. Bei 72 Grad F sind Brokkoli-Knospen also auf ein Stadium beschränkt, in dem sie wie eine Kreuzung zwischen einem Brokkolikopf und Blumenkohlquark aussehen; und bei 82 Grad sind sie noch weiter unterentwickelt und ähneln einem blumenkohlartigen Quark.
Zukünftige Studien werden den Mechanismus hinter der DNA-Methylierung von FCGs bei hohen Temperaturen untersuchen.
Mehr Informationen:
Zilei Yao et al., Erwärmungsbedingte Veränderungen des Brokkolikopfes zu blumenkohlähnlichem Quark in Brassica oleracea werden durch DNA-Methylierung reguliert, wie durch Methylom- und Transkriptom-Co-Profiling gezeigt wird, Molekularer Gartenbau (2022). DOI: 10.1186/s43897-022-00047-8