Da erwartet wird, dass der Klimawandel zu häufigeren Dürreperioden führen wird, arbeiten Forscher zunehmend daran, Entdeckungen zu machen, 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 in einer Frucht – der Tomate Solanum lycopersicum – liefert und Gene identifiziert, die Pflanzenzüchtern helfen könnten, Früchte zu entwickeln, die damit zurechtkommen Dürrebedingungen.
Erschienen in der Dezember-Ausgabe von Pflanzenphysiologiewurde die Arbeit vom Forschungsteam von Carmen Catalá, Assistenzprofessorin am BTI und Senior Research Associate an der School of Integrative Plant Science (SIPS) in Cornell, geleitet. Zu den kooperierenden Forschern gehören Jocelyn Rose, Professorin am SIPS, und die BTI-Professoren Jim Giovannoni, Zhangjun Fei und Lukas Mueller, die auch außerordentliche Professoren am SIPS sind
„Wir haben eine Reihe von Genen identifiziert, die an der Reaktion auf Wasserstress in der Tomatenfrucht beteiligt sind“, sagte Catalá. „Wir können jetzt damit beginnen, Kandidatengene auszuwählen, die Züchtern helfen könnten, Früchte zu entwickeln, die sich an Dürrebedingungen anpassen können, und zwar nicht nur Tomaten, sondern auch Trauben, Äpfel und fleischige Früchte 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 (kein, mild, mittel und stark).
Die Forscher fanden heraus, dass sich jedes Fruchtorgangewebe im Laufe der Zeit auf einzigartige Weise veränderte.
„Weniger als 1 % der exprimierten Gene, die von Wasserstress betroffen waren, wurden von allen sechs Fruchtgeweben geteilt, und mehr als 50 % der betroffenen Gene waren spezifisch für ein einzelnes Gewebe“, sagte Catala.
Im Gegensatz zu den negativen Auswirkungen von Trockenheit, die physiologische Störungen und Fruchtverlust auslöst, gibt es einige positive Auswirkungen, die mit Trockenheit verbunden sind – zumindest bei leichter Trockenheit.
Die Forscher fanden beispielsweise heraus, dass Wasserstress die Menge an Lycopin in reifen Früchten erhöht. Lycopin ist ein Antioxidans, das gesundheitliche Vorteile dokumentiert hat. Wassergestresste Früchte hatten auch eine höhere Stärkebiosynthese, was zu süßeren Tomaten führen könnte.
Die Forscher fanden auch heraus, dass sie Tomaten „trainieren“ konnten, um widerstandsfähiger gegen zukünftige Wasserdürren zu sein.
„Als wir die Samen von behandelten Pflanzen ausgesät haben, stellten wir fest, dass die Sämlinge von gestressten Tomaten im Vergleich zu Sämlingen von Kontrolltomaten eine verbesserte Erholung von Wasserstress zeigten“, sagte Philippe Nicolas, Postdoktorand im Labor von Catalá und Erstautor der Veröffentlichung.
Nicolas sagte, sie hätten mehrere Gene identifiziert, deren Expression durch Wasserstress in reifen Samen induziert wird, was eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Wasserstresstoleranz auf die nächste Pflanzengeneration spielen könnte.
Die Studie war in mehrfacher Hinsicht herausfordernd, da die Forscher sich mit Früchten befassten. Die meisten Studien zu Pflanzenreaktionen auf Trockenstress untersuchen Wurzeln und Blätter von Sämlingen, da sie relativ einfach 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“, sagte Catalá. „Außerdem muss man, wenn man Obst untersuchen will, ausgewachsene Pflanzen anbauen, was mehr Zeit, Platz und allgemeine Ressourcen in Anspruch nimmt.“
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Philippe Nicolas et al, Raumzeitliche Dynamik des Tomatenfrucht-Transkriptoms unter anhaltendem Wasserstress, Pflanzenphysiologie (2022). DOI: 10.1093/plphys/kiac445