Qualität von Tomaten durch fundierte Kenntnis der Gene verbessern

Forschern ist es gelungen, das Erbgut der Tomate vollständig zu entschlüsseln. Die Genomsequenz liegt nun erstmals in hoher Qualität vor und kann dabei helfen verbesserte Sorten zu züchten, die resistenter gegen Schädlinge, Krankheiten und Trockenheit sind. Durch vergleichende Genomforschung gibt es nun Hinweise auf die Funktion wichtiger Gene, so dass zukünftig Sorten mit den gewünschten Eigenschaften schneller gezüchtet werden können.

Dem Tomato Genome Consortium (TGC) - einer Gruppe von mehr als 300 Wissenschaftlern aus vierzehn Ländern (darunter auch aus Deutschland) - ist es gelungen das vollständige Genom der Tomate zu sequenzieren. Sie entschlüsselten dabei das Erbgut zweier Tomatensorten in hoher Qualität: Das der domestizierten Tomate am Beispiel der Inzuchtlinie „Heinz 1706“ sowie einer ersten vollständigen Arbeitssequenz einer wilden Verwandten unserer Kulturtomate, Solanum pimpinellifolium. Die Forschungsergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Tomaten (Solanum lycopersicum) sind wichtige Nutzpflanzen, die wohl aus keiner Küche wegzudenken sind. So isst ein Italiener beispielsweise durchschnittlich 16.5 Kilogramm frische Tomaten pro Jahr. Aber auch in Deutschland ist die Tomate sehr beliebt: 2010 verzehrten die Deutschen 24,6 kg pro Kopf; davon 7,6 kg frische Tomaten und 17 kg verarbeitete Tomatenprodukte (BMELV). Tomaten sind damit das Lieblingsgemüse der Deutschen. Im Jahr 2010 wurden, laut FAO, weltweit 145,8 Millionen Tonnen Tomaten geerntet.

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Die Tomate zählt zu der Familie der Nachtschattengewächse. Somit sind sie eng mit der ebenfalls beliebten Kartoffel (Solanum tuberosum) verwandt. Die Nachtschattengewächse (Solanaceae) umfassen über 90 Gattungen und über 2.500 Arten, wobei die Nachtschatten (Solanum) die größte Gattung repräsentieren.

Die Tomate als Modell

Die Tomate dient der Wissenschaft als Modellpflanze, um die Fruchtbildung bei Kulturpflanzen zu erforschen. Damit bieten die nun vorliegenden Genome von Tomate und Kartoffel die Chance, ausgehend von diesen Modellen, die Diversität der Solanaceae auch molekular zu erfassen, zu verstehen und zu nutzen. Zusätzlich können so evolutionäre Prozesse besser verstanden werden. "Das jetzt veröffentlichte Tomatengenom wird eine wichtige Ressource für zahlreiche Wissenschaftler sein, welche anhand dieser Daten viel effizienter erforschen können, wie aus einem gemeinsamen Satz Genen vielfältige Pflanzen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften entstehen können, und wie die natürliche Vielfalt genutzt werden kann, die Bedürfnisse der Gesellschaft nachhaltig zu erfüllen“, erklärt Prof. Heiko Schoof, einer der beteiligten deutschen Forscher von der Universität Bonn.

Forscher analysierten Gene und deren Funktion

Das Erbgut der Tomate wurde mithilfe einer Kombination unterschiedlicher DNA-Sequenzierungsmethoden analysiert. Dabei griffen sie auf die klassische Methode nach Sanger zurück und kombinierten sie mit neuen, multiparallelen Methoden zur Sequenzierung. Diese nutzen bereits vorhandene Basisdaten über Genome und werden umgangssprachlich als die nächste Generation von Sequenziermethoden bezeichnet („Next Generation Sequencing“; u.a. 454 Sequenzierung). Das Tomatengenom besteht aus rund 900 Megabasen; Damit ist es etwas mehr als ein Viertel so groß wie das menschliche Genom. Die Forschergruppe identifizierte rund 35.000 Gene und deren Position im Erbgut sowie der Richtung aus der die Sequenz bei der Transkription abgelesen wird.

Darüber hinaus lieferten sie Hinweise auf die biologische Funktion einzelner Gene. Für die meisten Gene konnten funktionelle Gruppen zugeordnet werden. Durch diese Information ist es nun möglich die Wechselwirkung von Genotyp und Umweltbedingungen besser zu verstehen. Weiß man welche Gene bestimmte Prozesse steuern, können Pflanzenzüchter künftig wünschenswerte Eigenschaften gezielter in etablierte Sorten einkreuzen und unerwünschte Folgewirkungen vermeiden, was die Qualität von Tomaten abermals verbessern könnte.

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Die Evolution des Tomatengenoms

Das Genom der Tomate belegt, dass es sich im Laufe der Jahrmillionen zwei Mal verdreifacht hat (die letzte Triplikation erfolgte Schätzungen zufolge vor 60 Millionen Jahren, etwa zu der Zeit in der die Dinosaurier ausstarben). Die meisten dieser vervielfachten Gene gingen jedoch im Verlauf der Evolution wieder verloren. Erhalten blieben Genduplikationen, welche Eigenschaften, wie die Festigkeit, Reifung und Farbe der Frucht steuern. Durch die Verdreifachung der Gene wurden die Früchte größer und die Qualität besser, wodurch mehr Tiere auf sie aufmerksam wurden. Dies trug wesentlich zur Verbreitung der Tomate bei. 

Vergleichende Genomanalysen liefern tiefere Einblicke

Nach Abschluss der Sequenzierung verglichen die Forscher das Erbgut der Zuchttomate mit dem der wilden Tomate und verglichen diese zusätzlich mit der Genomsequenz einer nahen Verwandten, der Kartoffel. Deren Genom wurde 2011 vollständig entschlüsselt (Potato Genome Sequencing Consortium, 2011). Dabei entdeckten sie, dass sich die domestizierte Tomate nur um 0,6 % von ihren wilden Vorfahren unterschied. Das entspricht in etwa 5,4 Millionen Punktmutationen einzelner Basen (Single Nucleotide Polymorphisms), die auf den 12 Chromosomen verteilt sind. Diese Unterschiede gehen vermutlich auf die Domestikation der Tomate im 16. Jahrhundert und die anschließende Züchtung zurück, die seither intensiv praktiziert wird. Trotzdem sind Wildtyp und Zuchttomate sich sehr ähnlich. Dagegen unterscheiden sich 8,7 % der Nukleotide der Tomate von denen der Kartoffel. Beide Spezies besitzen nach den nun vorgestellte Ergebnissen 18.320 orthologe Genpaare.

Genomsequenz bildet Grundlage für künftige Forschung

Dieses Wissen bildet die Grundlage, um zukünftig Sorten mit besserer Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten und Insektenbefall zu züchten sowie Ernteerträge zu steigern oder die Ertragseffizienz zu erhöhen: „Darüberhinaus bildet das Genom die notwendige Referenz, um mit geringem Aufwand in tausenden Tomatensorten und verwandten Arten nach den Genen zu suchen, die für deren spezifische Eigenschaften verantwortlich sind", so Prof. Schoof weiter. Hintergrund ist, dass mit einem qualitativ hochwertigen Referenzgenom, wie dem vorliegenden Tomatengenom, sogenannte Re-Sequenzierungen mit den heutigen multiparallelen Methoden von anderen Tomatenlinien in einem Bruchteil der Zeit und der Kosten möglich sind.

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Das Tomato Genome Consortium gründete sich 2003 auf einer wissenschaftlichen Konferenz in Washington DC, USA. Aus Deutschland waren bei der Analyse der Genomsequenzen Forscher aus dem Helmholtz Zentrum München, dem Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und der Universität Bonn beteiligt. Weltweit wurde für eine Vielzahl von Pflanzengenomen das in Deutschland etablierte und stetig weiterentwickelte bioinformatische Knowhow zur Annotation der Sequenzinformationen genutzt.

Geschmack wird durch wenige flüchtige Aromastoffe bestimmt

Auch die Ursachen für den aromatischen Geschmack der roten Frucht wurden kürzlich in einer anderen Studie (Tieman et al., 2012) untersucht. Unter anderem fragten sich die Wissenschaftler, ob es der Anteil an Zuckermolekülen (Fruktose und Glukose) ist, der den Geschmack bestimmt. Die Forscher betrachteten die chemische Zusammensetzung der Furcht und fanden heraus, dass wenige flüchtige Aromastoffe dafür verantwortlich sind. Von den 400 flüchtigen Aromastoffen, die in Tomaten identifiziert werden konnten, beeinflussen jedoch nur 12 den Geschmack! Demnach bestimmen nicht alle enthaltenen Geruchsstoffe auch unweigerlich den Geschmack.

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Die Süße der Tomate wird ebenfalls durch 12 Aromastoffe bestimmt. Dabei sind acht davon identisch mit den Aromastoffen, die für den Geschmack verantwortlich sind. Der Geschmack hat also mit dem Geruch der Frucht zu tun. Dies könnte ein zusätzlicher Baustein sein, um noch schmackhaftere Tomaten zu züchten. So könnte z.B. die durch unsere Geschmacksnerven wahrgenommene Süße von Tomaten gezielt erhöht werden, ohne den Zuckergehalt zu erhöhen.

Bald keine geschmacklosen Tomaten mehr?

Bei dem Experiment untersuchten die Forscher 278 Proben, die von 152 verschiedenen Tomatensorten stammten. Dabei wählten sie 66 Sorten aus und ließen Probanden den Geschmack der Tomaten beurteilen. Sie analysierten danach, ob sich die Tomatensorten, die beliebt waren genetisch von denen unterschieden, die den Versuchsteilnehmern nicht schmeckten. Die chemischen Unterschiede konnte nicht auf genetische Variabilität zurückgeführt werden, da sich die Zuchttomaten von ihrer DNA nur wenig unterschieden. Damit wird abermals deutlich, dass viele Merkmale in den Genen liegen, aber auch andere Faktoren auf den sogenannten Phänotypen Einfluss nehmen.

Weiterführende Forschung ist nötig, um diese Ergebnisse - also die chemischen Eigenschaften - mit der genetischen Ausstattung von Tomaten zu verknüpfen. Gelänge dies, könnte man nicht nur die Erträge, Größe und Resistenz von Zuchttomaten verbessern (also die Wirtschaftlichkeit), sondern auch ihren aromatischen Geschmack, ohne die anderen wichtigen Merkmale zu verlieren.