XXL-Tomaten

Eine natürliche Punktmutation ebnete den Weg zu Tomaten in Übergröße

03.06.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

So beeindruckend die Farben- und Formenvielfalt ist, so auffällig sind auch die Größenunterschiede. (Bildquelle: © Magnus Manske/ wikimedia.org/ CC BY 2.0)
So beeindruckend die Farben- und Formenvielfalt ist, so auffällig sind auch die Größenunterschiede. (Bildquelle: © Magnus Manske/ wikimedia.org/ CC BY 2.0)

Forscher finden Weg, um Tomaten in Übergrüße züchten zu können. Durch eine natürliche Punktmutation wird ein wichtiges Enzym für die Stammzellenproduktion, die Arabinosyl-Transferase, in punkto Aufbau und Funktion gestört. Die Folge: eine Stammzellenüberproduktion im Meristem und Tomaten in Übergröße.

Vergleicht man die großen Fleischtomaten aus dem Supermarkt mit ihren erbsengroßen Vorfahren (Solanum pimpinellifolium), die heute noch in Peru und Chile wachsen, ist folgende Frage naheliegend: Wie ist das möglich? "Züchtung" mag die erste Antwort lauten, die keineswegs falsch ist. Doch darf es nicht etwas genauer sein? Gemeint sind die genetischen Faktoren und Prozesse. Die Antwort hat nun ein internationales Forscherteam geliefert.

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Ochsenherztomaten führen das Größenwachstum eindrücklich vor Augen. Ebenso deutlich wird, dass der Umfang stark von der Zahl der Sammenkammern abhängt, wie die Forscher auch im Versuch beobachteten.

Ochsenherztomaten führen das Größenwachstum eindrücklich vor Augen. Ebenso deutlich wird, dass der Umfang stark von der Zahl der Sammenkammern abhängt, wie die Forscher auch im Versuch beobachteten.

Bildquelle: (Bildquelle: © Dominik Hundhammer/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0)

Im Fokus: Zwei „alte Bekannte“, die Genfamilien WUSCHEL und CLAVATA. Eine natürliche Punktmutation bewirkte bereits vor Tausenden Jahren, dass die Stammzellenproduktion bei betroffenen Wildtomaten nicht mehr gedrosselt wurde, weil ein wichtiges Enzym, die Arabinosyl-Transferase, in Bezug auf den Aufbau und die Funktion beeinträchtigt wurde. In der Folge zeigten die Wildtomaten mehr Zweige und Verästelungen und trugen außerdem mehr und größere Früchte.

Das Geheimnis hinter den Pflanzenrekorden

Die dokumentierten Rekorde für die Fruchtbildung liegen bei fast 1.700 Tomaten pro Pflanze und bezogen auf das Gewicht bei 3,5 kg für eine einzige Tomate! Dass Tomatenpflanzen derart viele und schwere Tomaten bilden können, liegt an einer Überproduktion von Stammzellen im Meristem, so die Forscher. Das Bildungsgewebe von Pflanzen, in dem Stammzellen und Organanlagen, die Primordien, gebildet werden. Zu finden sind Meristeme an den Spitzen der Sprossen (Sprossapikalmeristem) und Seitensprossen (Subkutalmeristem) sowie an den Wurzelspitzen (Wurzelapikalmeristem), wobei Letztere im Rahmen dieser Studie nicht untersucht wurden.

WUSCHEL und CLAVATA regulieren die Stammzellenproduktion

Die beiden Genfamilien WUSCHEL und CLAVATA sind deshalb „alte Bekannte“, da sie bereits bei einer Vielzahl von Pflanzen gefunden und charakterisiert wurden. Beide sind im Sprossapikalmeristem an der Stammzellenproduktion und der Differenzierung beteiligt. Während WUSCHEL knapp unter dem Meristem, im Organisierenden Zentrum, aktiv ist und die Stammzellenproduktion im Meristem ankurbelt, schützt das CLAVATA Gen, welches wiederum von den Stammzellen selbst exprimiert wird, vor einer Stammzellenüberproduktion und regt stattdessen zur Differenzierung an.

Erstmals entdeckt und untersucht wurden WUSCHEL und CLAVATA bereits vor 20 Jahren in den Meristemen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Bei Arabidopsis-Pflanzen, denen das WUSCHEL Gen fehlte bzw. fehlerhaft war, kam die Stammzellenproduktion zum Erliegen. Die Folgen: Missbildungen im Sprossbereich, kleinere Blätter und verkümmertes, „wuscheliges“ Wachstum.

WUSCHEL sorgt für kontinuierlichen Nachschub an Stammzellen

Im Normalfall lautet das Muster dagegen wie folgt: Durch das Abrufen der genetischen Informationen der WUSCHEL Genfamilie werden WUSCHEL-Proteine gebildet, die dafür Sorge tragen, dass im Meristem Stammzellen fortlaufend produziert werden. Auf den Punkt gebracht verhindern die WUSCHEL-Proteine, dass sich die teilungsfreudigen Stammzellen nach ihrer Teilung weiterentwickeln (differenzieren). Damit jedoch auch genügend Stammzellen einen Entwicklungspfad einschlagen und sich später zu Pflanzenorganen weiterentwickeln, muss die Expression des WUSCHEL-Gens bzw. die Produktion von WUSCHEL-Proteinen gedrosselt werden.

CLAVATA reduziert Stammzellproduktion und ermöglicht Differenzierung

Genau dafür ist die CLAVATA Genfamilie zuständig. Sie produziert zum einen Rezeptor-Proteine, namens CLAVATA 1 (CLV 1), welche wie Türschlösser in der Zellwand der Meristemzellen eingebaut werden, zum anderen die passenden Schlüssel dazu: Signalpeptide unter der Bezeichnung CLAVATA 3 (CLV3), welche auch außerhalb der Zellen unterwegs sind. Dockt nun ein CLV3-Signalpeptid an das CLV1-Rezeptor-Protein an, werden Signalstoffe freigesetzt, welche die Aktivität von WUSCHEL im organisierenden Zentrum herunterfahren lassen und die Produktion der WUSCHEL-Proteine drosseln. Der Weg zur Weiterentwicklung, zur Differenzierung der Stammzellen wird freigegeben.

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Tomaten im Vergleich: Während ganz links Blütenstand, Frucht und Meristem (von oben nach unten) von Wildtomaten ohne Punktmutation zu sehen sind, werden rechts daneben die Unterschiede deutlich, insbesondere das förmlich aufgeblähte Meristem, in dem sich immer mehr Stammzellen sammeln (unten).

Bildquelle: © Lippmann Lab / CSHL

Punktmutation mit riesigen Folgen

Eine natürliche Punkmutation innerhalb der CLAVATA Genfamilie führte in der Vergangenheit dazu, dass genau dieses ausbalancierte, selbstregulierende System nicht mehr reibungslos funktionierte und die Stammzellenproduktion plötzlich überhandnahm. Zum Nachvollziehen der Punktmutation griffen die Forscher auf eine organische Verbindung zurück: Ethyl-Methan-Sulfonat (C3H8O3S), kurz EMS. Diese ruft zufällige Mutationen an DNA-Strängen hervorrufen, indem es einzelne Nucleotide verändert.

Mehr Stammzellen im Meristem führen zu größeren Früchten

Das Forscherteam  verglich verschiedene Tomatensorten miteinander, von denen die einen die Punktmutation in der CLAVATA-Gensequenz besaßen, die anderen hingegen nicht. Es zeigte sich, dass sich die Stammzellenproduktion in Folge einer Punktmutation tatsächlich erhöhte. Die Meristeme blähten sich regelrecht mit Stammzellen auf. Auch bildeten sich mehr Seitensprossen und Blüten, die wiederum aus mehr Kelch-, Kron-, Staub- und Fruchtblättern bestanden. Dies hatte dann zur Folge, dass letztendlich auch die Früchte im Umfang zulegten. Ausschlaggebend für den Größenzuwachs war und ist nämlich die Anzahl der Samenkammern, die sich wiederum aus den Fruchtblättern heraus entwickelten, so die Forscher. Statt der zwei charakteristischen Kammern, die beim Zerteilen einer Tomate sichtbar werden, besaßen die Versuchspflanzen nun bis zu acht.

Wenn der Schlüssel nicht mehr ins Schloss passt

Wie die Forscher herausfanden, hatte die Punktmutation in der CLAVATA-Gensequenz zur Folge, dass ein wichtiges Enzym in seinem Aufbau und seiner Funktion gestört wurde, die Arabinosyl-Transferase. Das Enzym stattet das CLV3-Signalpeptid mit drei Zuckermolekülen aus, die unbedingt nötig sind, damit dieses wie beschrieben im Rezeptor-Protein andocken kann. Während drei Zuckermoleküle dafür sorgen, dass sich der Schlüssel quasi reibungslos im Schloss dreht, wird es mit abnehmender Zahl von Zuckermolekülen immer schwieriger, bis es völlig misslingt. Obwohl also das CLAVATA Gen weiterhin aktiv war, Rezeptor-Proteine nebst Signalproteinen hergestellt wurden, konnte das Stopp-Signal nicht mehr übermittelt werden. Die Stammzellenproduktion lies sich nicht mehr stoppen.

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Qualitäts- und Geschmacksmerkmal ist nicht allein die Größe, sondern vor allem auch die Anbaumethode. So ist es nicht unerheblich, ob eine Tomate im heimischen Beet, auf dem freien Feld oder auf Stein- bzw. Mineralwolle im Gewächshaus gezüchtet wird.

Qualitäts- und Geschmacksmerkmal ist nicht allein die Größe, sondern vor allem auch die Anbaumethode. So ist es nicht unerheblich, ob eine Tomate im heimischen Beet, auf dem freien Feld oder auf Stein- bzw. Mineralwolle im Gewächshaus gezüchtet wird.

Bildquelle: © Goldlocki/ wikimedia.org/ GNU-FDL; CC BY-SA 3.0)

Der Schlüssel für Größenwachstum?

Genau darin liegt nun die entscheidende und richtungsweisende Entdeckung der Forscher: die Entschlüsselung der Funktion der Arabinosyl-Transferase und die Identifizierung der dazugehörenden Gensequenz innerhalb der CLAVATA Genfamilie. Mit beiden Erkenntnissen im Gepäck könnte es künftig möglich sein, gezielt in die Stammzellproduktion im Meristem einzugreifen, um das Wachstum bzw. die Stammzellenproduktion anzukurbeln. Und das womöglich nicht nur bei Tomaten, sondern auch bei vielen anderen Obst- und Gemüsesorten. Was bei Reis (Oryza sativa) und Mais (Zea mays) bereits erfolgreich gelang, nämlich die Zahl der Körner und deren Gewicht zu erhöhen und die Erträge zu steigern, ist nun auch auf Nutzpflanzen übertragbar, bei denen jedoch nicht die Samen sondern das schützende Fruchtfleisch von Interesse ist.

Es kommt nicht nur auf die Größe an

Die Befürchtung, dass durch den Fokus auf die Fruchtgröße, der Geschmack auf der Strecke bleiben könnte ist zwar naheliegend, aber nicht allein auf die Zahl der Stammzellen im Meristem zurückzuführen. Wichtige Geschmacks- und Qualitätsfaktoren sind nämlich der Boden bzw. das Nährsubstrat im Speziellen wie auch die Anbaubedingungen und -methoden im Ganzen. Die Herausforderung besteht darin, auch diese auf die neuen Sorten abzustimmen, sodass letztendlich auch der Geschmack den Vorstellungen und Erwartungen der Verbraucher entspricht.

Da Tomaten heute vielseitig verwendet und häufig nicht nur roh, sondern in verarbeiteter Form konsumiert werden, könnten neue Sorten mit größeren Früchten vor allem dann zum Einsatz kommen, wenn diese für die Weiterverarbeitung bestimmt sind. Zum Beispiel für die Herstellung von Tomatensaft, -konzentrat, -mark oder -pulver. Schließlich sind für den Salat oder den Snack zwischendurch die mundgerechten Stücke von Rispen- und Cherry-Tomaten nach wie vor am besten geeignet.

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