Onderzoek naar wilde voorlopers van tomaten

Wilde tomatenvariëteiten bieden een rijke bron aan genen voor verschillende goede eigenschappen die verloren zijn gegaan tijdens het domesticatieproces. Het gaat dan bijvoorbeeld om robuustheid in moeilijke omgevingen of weerstand tegen verschillende pathogenen.

Een internationaal onderzoeksteam met onder andere wetenschappers van het Weizmann Institute of Science en IPK, heeft een introgressiepopulatie van wilde, aan de woestijn aangepaste, variëteiten en een gedomesticeerd tomatencultivar gebruikt om de overdracht van de vruchteigenschappen van wilde soorten te onderzoeken op genetisch, ordelijk en metabolisch niveau.

De resultaten zijn gepubliceerd in het magazine 'Nature Genetics' en onthullen transcriptionele en biochemische veranderingen na de introductie van 'wilde' genen in tomatencultivars. Het onderzoek geeft de belangrijkste stappen weer in voedingsgerelateerde, gespecialiseerde metabolismes en de overdracht van weerstand tegen het veelvoorkomende pathogeen Botrytis cinerea.

Domesticatie en de intensieve veredeling van tomaten die daarop volgde heeft een grote invloed gehad op het rijpen van de vruchten en de veelvoud aan metabolische processen die daarmee gepaard gaan. Als gevolg daarvan vertonen moderne tomatencultivars een aantal archetypische vruchteigenschappen, waaronder textuur, grootte, geur, pigment en smaak. Tegelijkertijd heeft de continue selectie in de veredeling ervoor gezorgd dat er minder genetische diversiteit is en dat er regelmatig belangrijke vruchteigenschappen verwijderd worden, zoals robuustheid van planten bij droogte of weerstand tegen verschillende pathogenen.

In dit onderzoek gebruikten wetenschappers geavanceerd genetisch bronmateriaal, samen met multimodale moleculaire en fenotypeprofilering, om een integrale QTL-analyse uit te voeren op tomaten. De onderzochte populatie had 580 introgressielijnen, die werden ontwikkeld in het laboratorium van professor Dani Zamir van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. Elk lijn bevatte een klein fragment van de wilde tomaat Solanum pennellii, op de achtergrond van de moderne tomatencultivar M82.

Het team van professor Asaph Aharoni van het Weizmann Institute of Science voerde een multimodale profilering uit van vruchten uit de hele populatie, inclusief RNA-sequenties, op massaspectrometrie gebaseerde metabolomics en gevoeligheidstests voor pathogenen in verschillende ontwikkelingsfases. De grote hoeveelheid data die hieruit ontstond werd gebruikt in een QTL-analyse op meerdere niveaus.

Dr. Jedrzej Jakub Szymanski, hoofd van de onderzoeksgroep 'Networking and Modelling' bij IPK en voormalig onderzoeker in het laboratorium van professor Aharoni, kon hieruit causale verbanden trekken tussen variaties in genetische sequenties, kwantitatieve veranderingen in genexpressie en metabolietgehaltes en veranderingen van complexe fenotypische eigenschappen. 

Het team koos verschillende interessante kandidaten uit honderden geïdentificeerde interacties. "We hebben ons gericht op de impact van S. pennellii-genen op voedingsgerelateerde, secundaire (gespecialiseerde) metabolieten en de vruchtweerstand tegen pathogenen, twee zeer contrasterende biochemische eigenschappen in de wilde en gedomesticeerde tomatenvariëteiten," zegt dr. Szymanski.

Het onderzoeksteam heeft op het voorspelde pad een enzymatische stap geïdentificeerd en gekarakteriseerd, waarbij α-tomatine, de fundamentele anti-voedzame en defensieve alkaloïde die aanwezig is in tomaten, wordt omgezet in esculeosiden en lycoperosiden tijdens het rijpen van de vruchten. "De chemische verandering is waarschijnlijk belangrijk voor het verminderen van de bitterheid van de α-tomatine en/of het tegengaan van tijdelijke behoeften van defensieve vruchtmetabolieten," zegt dr. Szymanski.

Verder werden loci en genen, die worden geassocieerd met de accumulatie van gezondheidsbevorderende flavonoïden in het weefsel van de vruchtschil, begrensd. De waargenomen veranderingen in genexpressie en metabolismes, zoals de accumulatie van defensieve metabolieten, had ook effect op complexe fenotypes, zoals de weerstand tegen pathogenen. "In ons onderzoek hebben we gezien dat een toegenomen weerstand tegen het veelvoorkomende pathogeen B. cinerea op meerdere niveaus was terug te zien in de complexiteit van de cellen; variaties in gensequentie, genexpressie en accumulatie van specifieke metabolieten. Deze elementen onthullen mechanismes die leiden van veranderingen op moleculair niveau naar macroscopische effecten die belangrijk zijn voor het overleven van de plant en de commerciële waarde ervan,"  zegt dr. Szymanski.

De grote dataset die in dit onderzoek is gegenereerd, is een unieke bron voor de onderzoeksgemeenschap. "Alhoewel we maar een paar genen en metabolieten echt goed hebben kunnen karakteriseren, kunnen er nog honderden andere kandidaten uit deze gegevens worden gehaald en worden geïntegreerd met de vele gepubliceerde fenomica-gegevens, die beschikbaar zijn voor dezelfde introgressielijnen,"  zegt dr. Szymanski.

Het ontdekken van het traject van wilde naar gedomesticeerde vruchten is onmisbaar voor een goed begrip van vruchtmetabolismes en de impact van menselijke selectie op zowel de positieve als de negatieve eigenschappen van de vruchten. "We verwachten dat de genotype-fenotype-associaties die uit dit onderzoek naar voren zijn gekomen een belangrijke bijdrage zullen leveren aan de huidige veredelingsinspanningen, zodat er minder belangrijke vruchteigenschappen, zoals smaak en weerstand tegen pathogenen, verloren zullen gaan."

Voor meer informatie:
Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research
www.ipk-gatersleben.de 


Publicatiedatum:



Ook onze nieuwsbrief ontvangen? | Klik hier


Ander nieuws uit deze sector:


© GroentenNieuws.nl 2020

Schrijf je in voor onze dagelijkse nieuwsbrief om al het laatste nieuws direct per e-mail te ontvangen!

Inschrijven Ik ben al ingeschreven