Bei Kreuzungen zwischen Wild- und Kulturarten haben Wissenschaftler das Gen entdeckt, das den Zuckergehalt in Tomaten beeinflusst. Die Forscher konnten sogar einen bestimmten Baustein dieses Gens identifizieren, der eine erhöhte Aktivität des Genprodukts, ein Zucker-spaltendes Enzym, bewirkt.
Genetische Variabilität der existierenden Kulturpflanzen schrumpft
Durch die immer geringere genetische Variabilität innerhalb der existierenden Kulturpflanzen wird es heute schwieriger neuer Pflanzensorten zu züchten. Das genetische Material der Kulturpflanzen kann zwar durch Kreuzungen und Selektion neu kombiniert werden, doch die Gesamtheit des in einer Art vorhandenen Erbguts (Genpool) wird dadurch nicht erweitert. Deshalb erhoffen sich Forscher von der Nutzung der natürlichen Vielfalt, wie sie Wildarten aufweisen, eine erhebliche Erweiterung des Genpools von Kulturpflanzen.
Dies belegen jetzt erstmals Untersuchungen, die Professor Dani Zamir an der Hebräischen Universität von Jerusalem und seine Mitarbeiter an Tomaten durchführt haben. Hierbei stellte sich heraus, dass das Einkreuzen von Erbgut aus Wildarten in bestehende Kulturarten einerseits zu höheren Erträgen führt, sich andererseits aber auch qualitative Merkmale veränderten, wie der Anteil an löslichen Zuckern, also Glucose und Fructose, der wichtig ist für die Ketchupherstellung.
Allerdings werden die Eigenschaften von Organismen nicht nur durch ein einziges Gen, sondern durch eine Vielzahl von Genen beeinflusst. Diese haben in ihrer Gesamtheit dann die Ausprägung eines Merkmales zur Folge. Anhand genetischer Analysen von Nachkommen aus Kreuzungen kann man nun jene Abschnitte des Erbgutes identifizieren, die in Zusammenhang mit der Ausprägung eines bestimmten Merkmals stehen. Doch diese Abschnitte sind in der Regel noch sehr groß und können viele Gene beinhalten. Durch gezieltes weiteres Kreuzen ist es jedoch möglich, diese Abschnitte immer weiter einzugrenzen, bis eine Größenordnung erreicht ist, die es erlaubt, einzelne Gene zu identifizieren.
Glucose- und Fructose-Gehalt „unter der Lupe“
In den Arbeitsgruppen um Alisdair Fernie vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und Professor Dani Zamir in Jerusalem wurden nun Untersuchungen angestellt, um in vier verschiedenen Wildtomatenarten und einer Kulturtomate jene erblichen Komponenten zu identifizieren, die den Gehalt an Glucose und Fructose beeinflussen. Hierzu verwendeten die Forscher spezielle Kreuzungen zwischen den Wildtomatenarten und der Kulturtomate. Diese Kreuzungen tragen das Erbgut der Kulturtomate, in das kleine Stücke des Wildarterbgutes, nämlich kurze Abschnitte der Chromosomen, integriert sind. Für jede einzelne Pflanze der Kreuzungsnachkommen ist bekannt, an welcher Stelle im Erbgut ein Chromosomenstück aus der Wildart einen entsprechenden Abschnitt der Kulturtomate ersetzt. Die Früchte dieser Pflanzen haben die Wissenschaftler dann auf ihren Gehalt an löslichen Komponenten – zum größten Teil Glucose und Fructose – analysiert. Anschließend haben die Forscher den Zuckergehalt in den Früchten mit der unterschiedlichen genetischen Zusammensetzung der einzelnen Pflanzen kombiniert. Auf diese Weise konnten sie eine Reihe von Chromosomenstücken aus Wildarten identifizieren, die den Zuckergehalt in den Früchten erhöhen.
In den meisten Fällen war Erbgut aus der Wildart Solanum pennellii, eine in den Peruanischen Anden beheimatete Art mit kleinen grünen Beeren als Frucht, ausschlaggebend für einen erhöhten Zuckeranteil. Bereits in früheren Arbeiten hatten die Wissenschaftler das Gen isoliert, das sich innerhalb des Chromosomenstücks aus S. pennellii befindet. Das Produkt dieses Gens ist ein Enzym (Invertase), das die Spaltung von Saccharose in ihre Grundbausteine Glucose und Fructose bewirkt. Jetzt haben die Wissenschaftler den Wirkungsmechanismus dieses Enzyms genauer untersucht und mit dem gleichen Enzym aus den anderen drei Wildarten und der kultivierten Art verglichen. Dabei ergaben sich keine Unterschiede bei der Aktivität der Invertase-Gene zwischen den Wildarten und der Kulturtomate und auch in der Menge des Genproduktes, also des Enzyms selber, waren keine Abweichungen feststellbar. Deshalb blieb nur, die Aktivität des Enzyms selbst zu messen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Aktivität der Invertase aus S. pennellii höher ist als jene der Invertasen aus den anderen Tomatenarten.
Invertase-Enzyme im Vergleich
Der Vergleich der Aminosäuresequenzen der Invertase-Enzyme aller untersuchten Tomatenarten zeigte, dass nur in der S. pennellii-Invertase eine Aminosäure ausgetauscht war, jedoch nicht in den Invertasen der anderen Arten. Daraus schlossen die Wissenschaftler, dass es sich hierbei um eine Veränderung in der Gensequenz handelt, die die Aktivität des Enzyms aus S. pennellii erhöht. Interessanterweise weisen auch die Aminosäuresequenzen der Invertasen aus anderen Pflanzenarten, wie Kartoffel, Tabak, Möhre, Mais oder Weizen, dieselbe Sequenzänderung auf wie in S. pennelli.
Um die Funktion der Invertasen aus S. pennellii sowie aus der Kulturtomate genauer zu untersuchen, nutzten die Forscher Hefezellen. Denn auch Hefen verfügen über Invertasen, die Saccharose in Glucose und Fructose spalten, damit dieses Kohlenhydrat in die Hefezelle aufgenommen und dort verwertet werden kann. Die Forscher nutzten Hefemutanten, deren eigene Invertase inaktiviert wurde. Deshalb sind die Mutanten nicht mehr in der Lage, Saccharose als Kohlenstoffquelle zu verwerten. Folglich wachsen sie nicht auf einem Nährboden, der ausschließlich Saccharose als Energiequelle enthält.
Hefemutanten helfen beim Vergleich der Invertasen
In diese Hefemutanten brachten die Forscher das Invertase-Gen aus der Kulturtomate bzw. aus der Wildart S. pennellii ein, sodass die transformierten Hefezellen die jeweilige Tomaten-Invertase bildeten. Um den zuvor erkannten Aminosäureunterschied der S. pennellii-Invertase direkt untersuchen zu können, tauschten die Wissenschaftler die entsprechende ursprüngliche Aminosäure der Kulturtomaten-Invertase durch die veränderte Aminosäure aus. Auch dieses veränderte Invertase-Gen wurde in Hefemutanten eingebracht.
Durch Messung der Wachstumsrate der transformierten Hefezellen, die auf einem saccharosehaltigen Nährboden wuchsen, wurden die drei unterschiedlichen Invertasen miteinander verglichen. Hierbei zeigten Hefezellen, die die S. pennellii-Invertase oder die veränderte Kulturtomaten-Invertase bildeten, ein normales Wachstum. Hingegen waren Hefezellen, die mit dem ursprünglichen Invertase-Gen aus der Kulturtomate transformiert wurden, in ihrem Wachstum stark gehemmt. Auch die in diesen Hefezellen gemessenen Enzymaktivitäten spiegelten das beobachtete Wachstumsverhalten der Zellen wieder: Aktivitäten der S. pennellii- und der veränderten Kulturtomaten-Invertase waren ähnlich hoch wie die Invertase-Aktivitäten anderer Pflanzen.
Hingegen war die Aktivität der unveränderten Invertase aus der Kulturtomate signifikant niedriger. Das gehemmte Wachstum der Hefemutanten, die das unveränderte Invertase-Gen aus der Kulturtomate trugen, ist folglich auf ihre Unfähigkeit zurückzuführen, Saccharose in ausreichender Menge zu verwerten, und das wiederum aufgrund der geringen Aktivität des saccharosespaltenden Enzyms Invertase.
Damit ist bewiesen, welche grundsätzliche funktionale Bedeutung dieser Aminosäureveränderung in der Invertase aus der Tomatenwildart S. pennellii zukommt, die auf dem Austausch eines einzigen Bausteins in der Sequenz des Invertase-Gens , einer so genannten Punktmutation beruht.
(idw – MPG, 20.09.2004 – ESC)
