Germany
February 16, 2018
Plant cultivation and breeding was the foundation of humans’ sedentary lifestyle. But how did the human influence affect plants and their chemical constitution? Researchers from China, USA, Bulgaria and Germany, among them is Alisdair Fernie of the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology (MPI-MP) in Potsdam, Germany, asked themselves this question and chose tomato for their detailed analyses. The aim of their work was to gain new insights into tomato breeding and their consequences. The researchers analysed the metabolic constitution and the genetic background of tomato fruits. They published an overview about the human influence on the chemical composition of a crop plant for the first time. The results were published in the journal Cell.
Bunte Mischung - Tomatenzüchtung bringt große Vielfalt auf den Teller
Tomatoes and their wild relatives
Originally, tomatoes are from South- and Middle-America, where the Mayas cultivated them. The origin of their wild relatives is located in the Andes. Here, wild tomatoes have small and partly bitter-tasting or even toxic berries. Tomatoes belong to the nightshade family (Solanaceae), which includes foods as potato and pepper, as well as toxic plants as belladonna. So-called alkaloids are responsible for the bitter tasting/toxic compounds. The plant uses them to protect themselves against herbivores and pathogens. In the course of domestication and by modern breeding programs, the bitter tasting compounds of the tomato were reduced and larger fruits were selected.
Challenges in breeding
Genetic inheritance is a complex process and breeding of plants with respect to favored characteristics is a difficult exercise. The reason is that characteristics, as fruit size are influenced by more than one gene. Moreover, different versions of one gene can exist in one living organism. This is comparable to the variety of written forms of one sound. For example, be, eat and see are written differently, but the letters e, ea and ee sound similar in these words. That is how the DNA code of genes can be written differently, which results in a variable characteristic value. In addition, the qualitative nature of characteristics is not only influenced by genes and their different versions, but also by environmental conditions.
New methods in plant research allow deeper analysis of breeding results
Staying with tomato, one can easily imagine that breeding of larger fruits has to be coupled to other changes in the plant. Not only an increase in fruit size by increasing cell number had to be implemented during the breeding process but also the chemical composition is adapted via the accumulation of higher amounts of metabolites or even with production of new compounds. As such, the enlargement of fruits has to be coupled to changes at the genomic level, including the DNA code, its transcription and translation into (metabolic) processes.
Modern techniques and analysis methods give the opportunity to study plants at different levels. Actually, that is what the research team has done in the current study. “We have analyzed and compared the genetic and metabolic composition of up to 610 tomatoes of different origin”, explains Alisdair Fernie.
The comparison of wild and cultivated tomatoes is decisive here, because small berry-like fruits of the wild species were transformed into red tomatoes, which were nearly hundred times larger. The breeding process passed through two main stages. First, the plants were domesticated and secondly, they were improved. The researchers found that these two phases seemed to have had a different influence on the chemical composition of the fruit.
Genes in the piggyback
With the help of comprehensive genome and metabolite analyses, the research team could show that the breeding phase to improve the plant had a stronger influence on the metabolite content. “We found two different selection mechanisms in this breeding phase. On one hand, the taste was bred directly, as fruits with less bitter taste were selected. Moreover, we found that fruit size is strongly associated with metabolites. In this manner, the taste was bred indirectly by selecting larger fruits”, Alisdair Fernie says. It appears that the respective genes of the metabolism “hitchhike”! They are coupled to the genes responsible for fruit size and thus are genetically inherited together. Here, the researchers have excluded a direct influence of the fruit size genes on the metabolites. Therefore, it seems to be coincidental rather than the result of directed breeding that larger fruits contain better tasting metabolites.
Understanding of control mechanisms, improvement of breeding programs
The diverse data obtained give insights into the variation of the metabolism and its genetic and biochemical control mechanisms. The knowledge currently available about the chemical composition of tomatoes and their molecular biological relations could lead to an improvement of the fruit quality with corresponding breeding programs. Moreover, these data can be used in further detailed studies to analyze control mechanisms of tomato metabolism.
Was steckt drin in der Tomate? Züchtung beeinflusst chemische Zusammensetzung und Geschmack der Tomatenfrucht
Der Anbau und die Züchtung von Nutzpflanzen war die Grundlage für eine sesshafte Lebensweise des Menschen. Aber wie hat dieser menschliche Einfluss sich auf die Pflanzen und ihre chemische Zusammensetzung ausgewirkt? Diese Frage stellten sich Forscher aus China, Amerika, Bulgarien und Deutschland, darunter Alisdair Fernie vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) in Potsdam. Gegenstand ihrer umfangreichen Untersuchungen und Analysen war die Tomate. Das Ziel ihrer Arbeit war es, einen Einblick in die Tomatenzucht und ihre Folgen zu gewinnen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten die stoffliche Zusammensetzung und das Erbgut der Früchte dieser überaus wichtigen Nutzpflanze und veröffentlichten zum ersten Mal einen Überblick über den menschlichen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung einer Nutzpflanze. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Journal Cell.
Tomaten und ihre wilden Verwandten
Tomaten stammen ursprünglich aus Süd- und Mittelamerika, wo sie bereits von den Maya kultiviert wurden. Die Heimat ihrer wilden Verwandten liegt in den Anden, wo sie als Wildtomaten mit kleinen zum Teil bitteren bis giftigen Beerenfrüchten vorkommen. Die Tomaten gehören zur Familien der Nachtschattengewächse (Solanaceae), zu denen neben Lebensmittel wie Kartoffeln und Paprika auch Giftpflanzen wie die Tollkirsche gehören. Verantwortlich für die Bitter-/Giftstoffe sind Alkaloide, die die Pflanze zur Abwehr von Fraßfeinden und Krankheitserregern bildet. Im Zuge der Domestikation der Tomate und durch moderne Züchtungsmethoden wurden die Bitterstoffe in den Tomaten zurückgedrängt und die Früchte auf Größe selektiert und gezüchtet.
Herausforderungen der Züchtung
Die Vererbung ist ein komplexer Prozess und die Züchtung von Pflanzen im Hinblick auf erwünschte Merkmale ein schwieriges Unterfangen. Die Ursache dafür liegt darin, dass Merkmale wie beispielsweise die Fruchtgröße von mehreren Genen bestimmt werden. Außerdem können Gene auch in unterschiedlichen Varianten in einem Lebewesen vorliegen. Das ist vergleichbar mit der Verschriftung von Lauten. So kann ein Laut durch unterschiedliche Schreibweisen wiedergegeben werden. Beispielsweise werden tief, aktiv, Kopf, Delphin unterschiedlich geschrieben, die Buchstaben f, v, pf oder ph klingen in den Worten aber sehr ähnlich. So kann auch der DNA-Code eines Gens unterschiedlich „geschrieben“ werden, was wiederum eine unterschiedliche Merkmalsausprägung verursacht. Damit aber nicht genug, die Ausprägung von Merkmalen ist nicht nur eine Frage der Gene und Genvarianten, sondern auch der Umwelt, die gleichfalls auf die Ausprägung von quantitativen Merkmalen einwirken kann.
Moderne Methoden bieten neue Möglichkeiten Züchtungsergebnissen auf den Grund zu gehen
Bleibt man beim Beispiel der Tomaten, so kann man sich leicht vorstellen, dass die Zucht im Hinblick auf größere Früchte auch von anderen Änderungen in der Pflanze begleitet sein muss. Die Früchte sind ja nicht nur größer, weshalb die Anzahl der Zellen erhöht werden muss, sondern für die größeren Früchte müssen auch mehr Inhaltsstoffe oder auch andere Inhaltsstoffe gebildet werden. Eine Vergrößerung der Früchte muss daher einhergehen mit einer Änderung auf Ebene der Erbinformation und deren Ablesung und ihre Übersetzung in (Stoffwechsel-)Prozesse.
Moderne Techniken und Analysemethoden bieten die Möglichkeit Pflanzen auf unterschiedlichen Ebenen zu untersuchen. Genau das haben die Wissenschaftler in der vorliegenden Studie getan. „Wir haben die genetische und die inhaltliche Zusammensetzung von 610 Tomaten verschiedenen Ursprungs untersucht und miteinander verglichen. Darunter waren 42 Wildarten und 568 Tomaten verschiedener Herkunft“, erläutert Alisdair Fernie den Ansatz der Studie.
Beim Vergleich von Wild- und Kulturtomate ist entscheidend, dass aus den kleinen eher beerenartigen Früchten der Wildsorten fast hundertfach vergrößerte, rote Früchte entstanden sind.
Die Änderung der Inhaltsstoffzusammensetzung ist auf zwei unterschiedliche Stadien zurückzuführen. Zum einen auf die Domestizierung, zum anderen auf die Züchtungsphase, bei der der Ertrag durch die Produktion größerer Früchte verbessert werden sollte.
Diese beiden Phasen hatten laut der Forscher und Forscherinnen vermutlich unterschiedliche Einflüsse auf die chemische Zusammensetzung der Frucht.
Gene im Huckepack
Mit Hilfe der umfangreichen Genom- und Inhaltstoffanalysen konnten die Forscher zeigen, dass das Zuchtstadium zur Verbesserung der Tomate einen größeren Einfluss auf die stoffliche Zusammensetzung hatte als die Phase der Domestizierung. „Wir fanden zwei verschiedene Selektionsmechanismen in der Züchtungsphase. Zum einen wurde der Geschmack direkt gezüchtet, indem Früchte mit weniger Bitterstoffen ausgewählt wurden. Darüber hinaus fanden wir Hinweise, dass die Fruchtgröße ganz entscheidend im Zusammenhang mit dem Geschmack stand und er somit indirekt gezüchtet wurde“, erklärt Alisdair Fernie. Es hat den Anschein, dass die Gene, die für den Stoffwechsel der Inhaltsstoffe zuständig sind „Huckepack genommen“ werden von den Genen die im Zusammenhang mit der Fruchtgröße stehen. Sie hängen sich also an die Gene, die für die Fruchtgröße verantwortlich sind und werden dadurch zusammen mit diesen vererbt. Die Forscher schließen aus, das die Gene für die Fruchtgröße einen direkten Einfluss auf die Inhaltsstoffe haben. Dass die größeren Früchte also die geschmacklich passenden Inhaltsstoffe enthalten, ist somit also eher Zufall und ist nicht auf direkte Auswahl durch die Züchter zurückzuführen.
Kontrollmechanismen verstehen, Zuchtprogramme verbessern
Die Daten, die aus diesen Untersuchungen gewonnen wurden, geben Einblicke in die Variationen des Stoffwechsels und seine genetische und biochemische Kontrolle. Das nun verfügbare Wissen über die chemische Zusammensetzung der Tomate und der molekularbiologischen Zusammenhänge könnte es ermöglichen die Fruchtqualität in entsprechenden Zuchtprogrammen zu verbessern. Außerdem können diese Daten in weiteren Studien genutzt werden, um die Kontrollmechanismen des Stoffwechsels der Tomaten noch detaillierter zu untersuchen und zu verstehen.
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