Springendes Gen beeinflusst das Aroma von Tomaten

Die Früchte roter Tomatenpflanzen schmecken besser als die der grünen Sorten, aber warum? Vor etwa zwei Millionen Jahren sprang ein mobiles DNA Element in das Genom der roten Tomatenarten und veränderte die Produktion flüchtiger Duftstoffe.

Früchte wie Melonen, Bananen, Erdbeeren und Tomaten sollen aus Verbrauchersicht vor allem eines: Gut schmecken. Doch welche Pflanzenstoffe sorgen für ein wohlschmeckendes Aroma und wie entstehen unterschiedliche Geschmacksnoten in der Pflanze? Zucker und Säure sind dominante Geschmackskomponenten, aber sie beeinflussen die Geschmacksrichtung nur teilweise. Aromen, die wir als besonders einzigartig und angenehm wahrnehmen entstehen erst durch den biochemischen Mix unterschiedlicher Pflanzenduftstoffe.

Zu diesen flüchtigen Stoffen gehört die Gruppe der Essigsäureester, die aus Früchten, Blättern und Blüten der Pflanzen strömen und auch den Geschmack beeinflussen. Prominente Vertreter dieser Fruchtester sind beispielsweise das Schlüsselaroma der Banane (3-Methylbutanol-Essigsäureester), oder der Benzyl-Essigsäureester, der der Jasminblüte ihren charakteristischen Duft verleiht.

Weniger Essigsäureester ist lecker

In der Pflanzenwelt sind diese flüchtigen Stoffe hauptsächlich für die Kommunikation mit Bestäubern und anderen Pflanzen wichtig. Beispielsweise werden durch sie benachbarte Pflanzen bei einer Attacke durch Fressfeinde gewarnt.

Verbraucher scheinen diese Duftstoffe jedoch eher zu meiden. So zeigten Studien, dass Konsumenten den Geschmack von Tomaten besser bewerteten, je weniger Essigsäurester diese enthielten. Besonders die Gruppe der schmackhaften, roten Tomatenpflanzenarten, enthalten diese Stoffe kaum. In Vertretern der grünen Tomatenpflanzen, zu denen viele Wildtomaten gehören und deren Früchte wir als ungenießbar empfinden, ist der Essigsäureestergehalt dagegen besonders hoch. Sie verleihen den Früchten ihren scharfen Geschmack einen Bananen-ähnlichen Duft.

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Carboxylesterasen regulieren den Essigsäureestergehalt

In den Genomen grüner Tomaten haben Wissenschaftler jetzt eine Ursache für den unterschiedlichen Essigsäureestergehalt der zwei Tomatengruppen entdeckt. Im Laufe der Evolution ist in das Erbgut der roten Arten ein mobiles DNA Element „gesprungen“, das den Essigsäuregehalt in roten Tomaten maßgeblich veränderte.

Den entscheidende Genomabschnitt entdeckten die Forscher, indem sie Introgressionslinien (IL) analysierten, die aus der grünen Tomantenart Solanum pennellii und der grünen Wildtomate Solanum habrochaites hervorgingen. Introgressionslinien werden häufig in der Pflanzenforschung genutzt, um Genorte abzustecken, die die Ausprägung eines bestimmten Merkmales beeinflussen. Durch mehrmalige Rückkreuzungen bleibt in ihnen nur noch ein einzelnes Chromosomensegment der Wildform erhalten, vor dem ansonsten einheitlichen genetischen Hintergrund. Auf diese Weise identifizierten die Forscher den entscheidenden Genomabschnitt auf Chromosom 1, der den Esssigsäureestergehalt in Tomaten reguliert. Auf ihm liegen mehrere Carboxylesterase-Gene (CXE) kodiert. Diese Enzyme spalten Ester in Alkohol und Carboxylate und sorgen somit für den Abbau der Essigsäureester.

Ein Retrotransposon reduzierte den Essigsäureestergehalt der roten Sorten

In den roten Sorten hat das Carboxylesterase Gen CXE1 jedoch im Laufe der Evolution einen entscheidenden Unterschied erworben. Vor etwa 2,2 Millionen Jahren, so vermuten die Forscher, „hüpfte“ ein Retrotransposons in den regulatorischen Bereich des CXE1 Gens der roten Tomatenarten. Aus stammesgeschichtlicher Sicht hatten sich die roten und grünen Tomaten zu diesem Zeitpunkt bereits getrennt.

Durch den Umbau der regulatorischen DNA-Sequenz erhöhte sich die Aktivität des CXE1 Gens und sorgt dafür, dass in den roten Sorten die Essigsäureester besser abgebaut werden, als in den grünen Verwandten. Obwohl Tomaten noch vier weitere CXE Gene besitzen, scheint besonders CXE1 eine Schlüsselrolle bei diesem Abbau zu spielen. Schalteten die Wissenschaftler das CXE1 Gen aus, reicherten auch die roten Tomatensorten vermehrt Essigsäureester in ihren Früchten an. Zudem wird in reifen Früchten allein die Aktivität des CXE1 Gens hochreguliert, um den Essigsäureestergehalt gering zu halten, während sich die Aktivität der anderen CXE Gene nicht verändert.

Das CXE1 Gen als molekularer Marker für milde Aromen

Für die Forscher sind diese Arbeiten ein wichtiger Schritt, um die Regulation charakteristischer Geschmacksstoffen in Pflanzen zu verstehen und noch schmackhaftere Tomatensorten für den menschlichen Gaumen zu kreieren. Zwar sei man noch weit davon entfernt, die komplexe biochemische Mischung eines Wohlgeschmacks zu entschlüsseln, aber zumindest die scharfe Note der Essigsäureester ließe sich durch den neu entdeckten molekularen Marker gezielt entfernen. Jetzt ist es die Aufgabe der Züchter dieses Wissen in neuen Sorten umzusetzen.