Über 34 Millionen Menschen in den USA haben nicht genug zu essen. Vielfältigere und anpassungsfähigere Nutzpflanzen werden benötigt, um die Herausforderungen in der Lebensmittelproduktion anzugehen, die durch den Klimawandel noch verschlimmert werden. Kleine, süße Beeren, die Erdkirschen genannt werden, ernähren das Land vielleicht nicht, aber zusammen mit anderen verwandten „verwaisten Feldfrüchten“ könnten sie die Nahrungsmittelversorgung stärken. Leider sind diese entfernten Verwandten der Tomaten noch nicht reif für die Massenproduktion – zumindest noch nicht.
Zachary Lippman, Professor am Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) und HHMI-Forscher, arbeitet daran, dies zu ändern. Zusammen mit dem CSHL- und HHMI-Postdoc Jia He erstellte Lippman genetische Blaupausen oder Modelle für zwei Arten von Bodenkirschen. Diese neuen Modelle können Pflanzengenetiker dazu anleiten, das ungenutzte Potenzial von Bodenkirschen freizusetzen. Sie können auch der Schlüssel sein, um andere Nachtschattengewächse für eine weit verbreitete Verwendung zu vergrößern.
Lippman sagt: „Die Familie der Nachtschattengewächse umfasst mehr als 20 Nutzpflanzen. Es gibt die Hauptkulturen – Kartoffeln, Tomaten, Auberginen – und dann gibt es kleinere Nutzpflanzen oder verwaiste Nutzpflanzen, die entweder halb domestiziert oder einfach wild sind. Viele davon haben es haben nicht viel Forschungsaufmerksamkeit erhalten, könnten aber mehr Potenzial für eine größere Produktion haben, wenn sie weiterentwickelt werden könnten.“
Erdkirschen sind aufgrund ihrer ähnlichen Genetik und langen Evolutionsgeschichte ideale Modelle der Familie der Nachtschattengewächse. Sie sind auch in Nordamerika weit verbreitet, leicht anzubauen und leicht genetisch zu verändern. Aber ihr interessantestes Merkmal, sagt Lippman, könnte die papierartige, ballonartige Hülle oder der aufgeblasene Kelch sein, der ihre Beeren umgibt.
„Es scheint sich in Blütenpflanzen mehrmals unabhängig voneinander entwickelt zu haben“, erklärt Lippman. „Es ist nicht klar, ob es eine Eigenart der Evolution, ein adaptives Merkmal oder beides ist. Aber eines ist meiner Meinung nach sehr klar – es ist eine der coolsten evolutionären Neuheiten, die bei Pflanzen auftauchen.“
Frühere Forschungen an Nachtschattengewächsen deuteten darauf hin, dass Gene namens MADS-Box für die Entstehung des aufgeblasenen Kelchs verantwortlich waren. Unter Verwendung des Genombearbeitungswerkzeugs CRISPR auf ihren neuen Grundkirschmodellen schalteten Lippman und He die MADS-Box-Gene eines nach dem anderen aus. Sie fanden heraus, dass die Pflanzen immer noch einen aufgeblasenen Blütenkelch wuchsen, egal ob sie die Gene hatten oder nicht. Die Modelle ermöglichten es ihnen auch, ein Gen aufzudecken, das für die Entwicklung von aufgeblasenen Blütenkelchen wesentlich ist.
Er sagt: „Ohne diese genomischen Ressourcen ist es sehr schwierig, die molekularen Mechanismen zu bestimmen, die einigen der Merkmale zugrunde liegen, die durch die Evolution entstanden sind. Wir glauben, dass wir mit unserer neuen Ressource, unseren neuen Genomen, diesen ganzen Prozess sezieren können.“
Lippman nennt die neuen Groundcherry-Modelle „die Aushängeschilder“ für das, was als nächstes aus seinem Labor kommt. Ihr Ziel ist es, die Familie der Nachtschattengewächse mit vielen neuen Pflanzenmodellen zu spicken, die es einfacher machen, Nutzpflanzen durch Genom-Editierung zu verbessern. Diese Modelle werden auch dazu beitragen, die evolutionäre Entwicklung von Pflanzen besser zu verstehen.
„Über die Verbesserung von Nutzpflanzen hinaus können uns diese neuen Modelle die Mittel liefern, um die grundlegende Frage zu beantworten, wie neue Eigenschaften in Pflanzen entstehen“, sagt Lippman. „Ich denke, Jia wird derjenige sein, der das in Zukunft angeht.“
Die Ergebnisse sind veröffentlicht in Die Pflanzenzelle Tagebuch.
Mehr Informationen:
Jia He et al., Die Etablierung von Physalis als Solanaceae-Modellsystem ermöglicht eine genetische Neubewertung des aufgeblasenen Calyx-Syndroms, Die Pflanzenzelle (2022). DOI: 10.1093/plcell/koac305