Süßer Sommerstar

SAFQIM erforscht die Reifung der Melone

24.06.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Je süßer, desto besser: Bei Zuckermelonen sollte der Name immer Programm sein. (Quelle: © PLANT 2030/M. Arlt)
Je süßer, desto besser: Bei Zuckermelonen sollte der Name immer Programm sein. (Quelle: © PLANT 2030/M. Arlt)
Bleiben dran an der Melone: John Lunn und Marc Lohse vom Max Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie. (Quelle: „© PLANT 2030/M. Arlt)
Bleiben dran an der Melone: John Lunn und Marc Lohse vom Max Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie. (Quelle: „© PLANT 2030/M. Arlt)
Oben Wasser- unten Zuckermelone. Durch Pfropfung kombinieren die Forscher die beiden Melonensorten und können kleine RNA-Moleküle eindeutig identifizieren. (Quelle: © PLANT 2030/M. Lohse)
Oben Wasser- unten Zuckermelone. Durch Pfropfung kombinieren die Forscher die beiden Melonensorten und können kleine RNA-Moleküle eindeutig identifizieren. (Quelle: © PLANT 2030/M. Lohse)

Zuckermelonen sollen vor allem eines: Süß schmecken. Doch welche Faktoren bestimmen die Süße, den optimalen Reifegrad und die Reifedauer?  In dem PLANT 2030 Projekt SAFQIM dreht sich für Forscher alles um die Reifeprozesse und den Zuckerhaushalt von Melonen.

Sie ist süß, erfrischend und riecht nach Sommer. Kaum eine Frucht ist so sehr Ausdruck der heißen Jahreszeit wie die Melone. Der Schriftsteller Alexandre Dumas liebte Melonen sogar so sehr, dass er der französischen Stadt Cavaillon, der selbsternannten „Hauptstadt der Melonen“, anbot, alle seine Schriften zu überlassen , wenn man ihm dafür eine lebenslange Rente in Melonen zahlte.

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Im PLANT 2030 Projekt SAFQIM wird der Saccharosestoffwechsel in Melonenfrüchten untersucht.Mehr zum Projekt

Im PLANT 2030 Projekt SAFQIM wird der Saccharosestoffwechsel in Melonenfrüchten untersucht.
Mehr zum Projekt

Auch die Deutschen lieben Melonenfrüchte. Durchschnittlich 4kg Melone hat jeder Haushalt allein im Jahr 2010 verzehrt. Damit gehört die Melone zu den sechs liebsten Obstsorten der Deutschen. Melonen enthalten außerdem Mineralstoffe wie Phosphor und Calcium und sind reich an Vitamin A und C.

25 Millionen Tonnen Melone

Sowohl Wasser- (Citrullus lanatus)  als auch Zuckermelonen (Cucumis melo) gehören mit ihren Verwandten Gurke und Kürbis zur Familie der Kürbisgewächse (Curcubitaceae). Trotzdem gehen süße Melonen bei uns als Obst über die Theke. In vielen Ländern, z.B. in Asien kommen verschiedene Melonensorten jedoch auch als Gemüse auf den Tisch, z.B. im Süppchen oder als Beilagengemüse.

Der weltweite Melonenumsatz boomt: 25 Tonnen Millionen Melonenfrüchte wurden im vergangenen Jahr mit einem Umsatz von 3,5 Milliarden Euro produziert. Damit gehört die Melone zu den Top Ten der weltweit angebauten Gemüsesorten.

SAFQIM: Mehr Zucker für die Melone

Züchter sind daher interessiert aromatische Sorten mit guter Lagerfähigkeit zu erzeugen, deren optimale Reife leicht zu erkennen ist. Die wenigsten Melonensorten vereinen jedoch alle diese gewünschten Eigenschaften.

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Ist die schon reif? Cantaloupe-Melonen verströmen einen charakteristischen Duft, wenn sie reif für die Ernte sind. Doch nicht jeder Melonensorte sieht man an, ob sie schon schmeckt. Das macht es für Melonenbauern mitunter schwierig, den richtigen Zeitpunkt der Ernte zu bestimmen.

Ist die schon reif? Cantaloupe-Melonen verströmen einen charakteristischen Duft, wenn sie reif für die Ernte sind. Doch nicht jeder Melonensorte sieht man an, ob sie schon schmeckt. Das macht es für Melonenbauern mitunter schwierig, den richtigen Zeitpunkt der Ernte zu bestimmen.

Bildquelle: © iStockphoto.com/ Jodi Jacobson

Das weiß auch der Wissenschaftler John Lunn, der das internationale Melonen - Forschungsprojekt SAFQIM am Max-Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie leitet. „Einige Sorten wie z.B. die beliebten französischen Charentais-Melonen schmecken reif vorzüglich. Aber schon kurze Zeit nach der Ernte setzt in der Frucht die Zersetzung der Inhaltstoffe ein. Zucker werden abgebaut und es entstehen organische Säuren, die das Fruchtfleisch fad und vergoren schmecken lassen.“ Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Rheinisch-Westfaelischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH) und spanischen und französischen Partnern untersuchen er und sein Team, welche Faktoren die Süße von Melonen beeinflussen und warum sich der Zuckermetabolismus in verschiedenen Melonensorten so stark unterscheidet.

Feuerwerk der Reife oder haltbarer Genuss: Die wenigsten Melonensorten können beides

Aufgrund der schlechten Lagerfähigkeit der Charentais-Melonen findet man sie in hiesigen Supermärkten kaum. Deutschland importiert stattdessen spanische Zuckermelonen wie z.B. die Sorte Piel de Sapo. Die Früchte dieser sogenannten nichtklimakterischen Sorten „veratmen“ ihren Zucker deutlicher langsamer als klimakterische Melonen und sie bleiben auch nach der Ernte noch lange süß. Doch auch diese Sorten haben Nachteile: Das Zeitfenster der optimalen Reife ist länger, aber was die Indikatoren für den optimalen Reifegrad angeht, steht der Kunde auf dem Schlauch. „Reife Piel de Sapo-Melonen haben keinen charakteristischen Geruch, es gibt keine Farbveränderungen und die Früchte werden auch nicht weicher. Sogar für erfahrene Melonenbauern ist es bei diesen nicht-klimakterischen Sorten sehr schwierig, den richtigen Zeitpunkt der Ernte zu bestimmen.“ beschreibt John Lunn die unerwünschten Eigenschaften dieser sogenannten nicht-klimakterischen Sorten.

Nutzen oder speichern? Die Melone als „Sink“ Organ

Mit SAFQIM wollen Wissenschaftler dem Zuckerstoffwechsel unterschiedlicher Melonensorten auf den Grund gehen. In jungen Früchten wird die Saccharose aus den Blättern zunächst für den Aufbau von Zellwandproteinen und Enzymen genutzt, damit die Frucht wachsen kann. Erst ab einer bestimmten Größe beginnt die Frucht damit, den Zucker anzureichern. „Uns geht es bei SAFQIM darum zu verstehen, wie die Blättern den Früchten signalisieren, wie viel Zucker aus der Photosynthese zur Verfügung steht.“, erklärt SAFQIM Wissenschaftler Marc Lohse die Hauptzielsetzung des Projektes. „Das ist wichtig, damit die Pflanze weiß, mit welcher Rate der Zucker in der Frucht verstoffwechselt oder gespeichert werden darf.“

Ausgerechnet Melonen

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Welche Signale sorgen für einen hohen Zuckergehalt in Zuckermelonen? John Lunn und seine Mitarbeiter von SAFQIM analysieren die Säfte, die in Richtung Melone fließen.

Welche Signale sorgen für einen hohen Zuckergehalt in Zuckermelonen? John Lunn und seine Mitarbeiter von SAFQIM analysieren die Säfte, die in Richtung Melone fließen.

Bildquelle: © PLANT 2030/M. Arlt

Melonen sind ein besonders geeignetes Modell um die „Source- und Sink-Kapazitäten“ von Pflanzen zu erforschen. Aus ihrem Stamm lassen sich ausreichende Mengen Phloemsaft abzapfen und ihr Genom wurde bereits von Partnern des SAFQIM Projektes entschlüsselt. Für die Forscher von SAFQIM bedeute das, die Biochemie und Genetik des Zuckerstoffwechsels grundlegend analysieren zu können.

Wer dreht den Zuckerhahn auf und zu?

Interessante Signalmoleküle, die vermutlich für den Zuckerstoffwechsel der Melone wichtig sind, haben die Wissenschaftler schon im Visier. Ein Kandidat ist der Zweifachzucker Trehalose-6-Phosphat (T6P). „T6P ist in Arabidopsis ein Signal für die Zuckerverfügbarkeit. Unsere Hypothese war daher, dass es auch in Melonen wichtig für den Reifeprozess und den Zuckergehalt der Früchte sein könnte.“, so John Lunn. Außerdem interessieren sich die Wissenschaftler für kleine RNA Moleküle. Mikro RNAs (miRNAs) sind ein wichtiges Werkzeug pflanzlicher und tierischer Zellen, um die Genaktivität zu regulieren. „Mikro RNAs sind auch für die Signalübertragung bei der Versorgung mit Phosphat, Stickstoff und Schwefel wichtig. Aus Untersuchungen an Arabidopsis wissen wir auch, dass die Produktion bestimmter miRNAs angekurbelt wird, wenn sich der Zuckerlevel verändert.“

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Melonenernte in Myanmar: Melonen gehören weltweit zu den Top Ten der meist angebauten Früchte.

Melonenernte in Myanmar: Melonen gehören weltweit zu den Top Ten der meist angebauten Früchte.

Bildquelle: © iStockphoto.com/ fhogue

Vom Honigmelonenblatt zur Wassermelonenblüte

Um als Kommunikationssignal zwischen den zuckerproduzierenden Blättern und den Früchten zu fungieren, müssten T6P und miRNAs demnach über das Phloem zu den Blüten- und Melonenfrüchten wandern und auch im Phloemsaft zu finden sein.

Für die Analyse griffen die Wissenschaftler zu einer Methode, die auch oft zur Veredelung von Gartenpflanzen genutzt wird und in Kürbisgewächsen besonders gut funktioniert: Auf den spanischen Zuckermelonen  ließen sie Zweige von Wassermelonen anwachsen (Pfropfung). „Die Wassermelone und Zuckermelone sind genetisch so unterschiedlich, dass man RNA Moleküle anhand der Sequenz einer der beiden Arten zuordnen kann.“, erklärt Marc Lohse den Ansatz. „In den Pfröpflingen können wir klar erkennen, ob miRNAs von den Blättern der Honigmelonen zu den Blüten der Wassermelone transportiert werden und welche RNA-Moleküle nur unter bestimmten Bedingungen auftauchen.“

Parallel dazu wollen die Wissenschaftler untersuchen, ob es Gene gibt, deren Aktivität mit dem Anstieg von T6P und bestimmten miRNAs in den Pflanzenorganen korreliert. Um diese bioinformatischen Analysen zu vereinfachen, hat Marc Lohse mit anderen Mitarbeitern des Projektes SAFQIM sogar eine eigene Software entwickelt. Mittlerweile erhält er auch Anfragen von Humanmedizinern, die das Analyse-Tool für die Analyse menschliche Transkriptomdaten nutzen wollen.

Melonen sollen lange süß bleiben

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SAFQIM Software erleichtert die Transkriptomdatenanalyse: Die Analyse von Transkriptomdaten ist sehr komplex und setzt entsprechende Bioinformatikkenntnisse voraus. Viele Wissenschaftler überlassen die ersten Analysen daher notgedrungen spezialisierten Firmen. Meist erhalten sie dann Standardanalysen, zurück, die nicht immer optimal auf die Fragestellung zugeschnitten sind. Durch das benutzerfreundlichere Softwaretool RobiNA soll jeder Experimentator die Möglichkeit erhalten, seine Daten selbst zu analysieren. „Die Software lässt sich prinzipiell auf jeden Datensatz anwenden, egal aus welchem Organismus er stammt.“, sagt Marc Lohse.

SAFQIM Software erleichtert die Transkriptomdatenanalyse: Die Analyse von Transkriptomdaten ist sehr komplex und setzt entsprechende Bioinformatikkenntnisse voraus. Viele Wissenschaftler überlassen die ersten Analysen daher notgedrungen spezialisierten Firmen. Meist erhalten sie dann Standardanalysen, zurück, die nicht immer optimal auf die Fragestellung zugeschnitten sind. Durch das benutzerfreundlichere Softwaretool RobiNA soll jeder Experimentator die Möglichkeit erhalten, seine Daten selbst zu analysieren. „Die Software lässt sich prinzipiell auf jeden Datensatz anwenden, egal aus welchem Organismus er stammt.“, sagt Marc Lohse.

Bildquelle: © PLANT 2030/M. Arlt

Mit den Ergebnissen aus SAFQIM lassen sich zukünftig vermutlich nicht nur süßere Melonen züchten, sondern auch solche, die länger genießbar sind.

Ein erster Schritt in diese Richtung ist den Wissenschaftlern und ihren Partnern schon gelungen. Indem sie unterschiedliche Melonen Varietäten genetisch analysieren, konnten sie bereits spezifische Orte im Melonengenom abstecken, die für den unterschiedlichen Zuckergehalt verschiedener Linien verantwortlich sind. „ Kreuzungen zwischen Piel de Sapo und der koreanischen Sorte  Conomo haben gezeigt, dass der Zuckergehalt zwischen Linien um bis 200fache variieren kann.“ Durch die neuen genetischen Marker könnten also gezielt, besonders süße Nachkommen gezüchtet werden.

Auch der Zuckerabbau ließe sich gezielt ausbremsen, so die Hoffnung der Forschung. „Unsere französischen Partner  um Prof. Dr. Bendahmane am URGV-INRA in Evry nutzen derzeit einen Nicht-transgenen Ansatz um zuckerabbauende Enzyme (Invertasen) in Melonenpflanzen still zu legen und den Zuckerabbau dadurch zu drosseln. Auf diese Weise würden wir den Zeitpunkt der optimalen Reife für einige Melonensorten verlängern“, erklärt John Lunn eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Ergebnisse.

Landwirte brauchen vollendete Reifeprozesse

Darüber hinaus möchten die Forscher mit SAFQIM auch einen Beitrag dazu leisten, die Grundlagen der Source-Sink Kommunikation in Pflanzen zu verstehen.

Ein häufiges Problem beim Obstanbau ist der verfrühte „Fruchtfall“, der bei bestimmten Obstsorten zu erheblichen Ernteeinbußen führt. Die Früchte werden dabei nach der Blüte zwar angelegt, sie entwickeln sich aber nicht weiter und fallen ab. Möglicherweise lässt die Pflanze bei bestimmten Witterungsverhältnissen hier den Zuckerstrom in Richtung Frucht kontrolliert versiegen, um stattdessen z.B. Speicherorgane mit Stärke zu befüllen. „Es ist z.B. denkbar, dass die Frucht ihren Zuckergehalt durch Signalmoleküle an die Blätter rückkoppelt.“, sagt John Lunn.  Bisher weiß man jedoch noch wenig über die Zuckersignal-Kommunikation zwischen Blättern und Sink Organen. Welche Rolle T6P und miRNAs dabei spielen, werden die zukünftigen Ergebnisse von SAFQIM zeigen.

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