Blumendüfte sind der Reiz der Natur, sie locken Bestäuber an und helfen Pflanzen, sich an die Herausforderungen der Umwelt anzupassen. Diese Düfte, die hauptsächlich in Blütenblättern erzeugt werden, bestehen aus komplexen Verbindungen wie Terpenoiden und Benzoloiden/Phenylpropanoiden, die einen immensen dekorativen und kommerziellen Wert haben.
Doch trotz der Fortschritte bei der Identifizierung von Genen, die mit der Produktion flüchtiger Stoffe in Zusammenhang stehen, sind die zellulären Landschaften, in denen diese Düfte erzeugt werden, und die dynamische Expression verwandter Gene nach wie vor unklar. Um diese Wissenslücke zu schließen, ist eine detaillierte Untersuchung der molekularen und zellulären Organisation von Blütenblättern erforderlich.
In einer Pionierarbeit haben Forscher der Northwest A&F University die erste Einzelzell-Genexpressionskarte der Blütenblätter von Prunus mume erstellt. Veröffentlicht in Gartenbauforschung am 10. Juli 2024, der Studie nutzt modernste Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die Genaktivität in Blütenblättern während der Knospungs- und Vollblütephase zu analysieren. Durch die Identifizierung von sechs verschiedenen Zelltypen bietet die Forschung einen beispiellosen Einblick in die molekularen Wege, die die Biosynthese von Blumendüften vorantreiben, und unterstreicht deren zelluläre Präzision.
Diese Studie konzentrierte sich auf die Blütenblätter von Prunus mume „Fenhong Zhusha“, einer duftenden Sorte, die für ihr blumiges Aroma bekannt ist. Die Forscher identifizierten sechs Schlüsselzelltypen, darunter Epidermis- und Parenchymzellen sowie Gefäßgewebe, die jeweils eine spezielle Rolle bei der Duftproduktion spielen.
Das dynamische Duftprofil erreichte seinen Höhepunkt in voller Blüte, wobei Benzylacetat und Eugenol als dominierende flüchtige Bestandteile hervortraten. Durch die Integration von Einzelzell- und Massen-RNA-Sequenzierungsdaten identifizierte das Team 28 Gene im Benzoloid/Phenylpropanoid-Weg, darunter PmPAL2, PmBAHD3 und PmEGS1, die alle eine stadienspezifische Expression zeigten.
Zu den herausragenden Entdeckungen zählt, dass PmBAHD3 ein multifunktionales Enzym ist, das sowohl Benzylacetat als auch Eugenol synthetisiert. Diese Gene waren überwiegend in Epidermis- und Parenchymzellen aktiv, wie durch In-situ-Hybridisierung bestätigt wurde. Dieser Zellatlas klärt nicht nur die molekularen Mechanismen hinter dem ikonischen Duft von Prunus mume, sondern bietet auch neue Perspektiven auf räumlich unterschiedliche Stoffwechselprozesse in Blütenblättern holziger Pflanzen und bereitet so die Bühne für neue Anwendungen.
Dr. Tengxun Zhang, der leitende Forscher der Studie, erklärte: „Unsere Studie zeigt die zelluläre Komplexität der Biosynthese von Blumenduft in Prunus mume. Diese Forschung liefert nicht nur eine detaillierte molekulare Roadmap, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Weiterentwicklung des Ziergartenbaus und der Duftstoffindustrie.“ „
Die aus dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse haben weitreichende Anwendungsmöglichkeiten. Indem sie auf Schlüsselgene wie PmBAHD3 abzielen, die an der Duftbiosynthese beteiligt sind, könnten Züchter neue aromatische Sorten mit verbesserten Duftprofilen entwickeln. Darüber hinaus dient der Zellatlas von Prunus mume als Modell für die Untersuchung der Duftproduktion in anderen Zierpflanzen und bietet transformatives Potenzial für die Parfüm- und Aromaindustrie.
Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung nachhaltigem Anbau und Innovation bei hochwertigen Pflanzen dar, mit Auswirkungen sowohl auf Wissenschaft als auch auf die Industrie.
Weitere Informationen:
Yuhong Guo et al., Einzelzell-RNA-Sequenzierung zeigt einen hochauflösenden Zellatlas von Blütenblättern in Prunus mume in verschiedenen Entwicklungsstadien der Blüte. Gartenbauforschung (2024). DOI: 10.1093/hr/uhae189