Omdat de klimaatverandering naar verwachting zal leiden tot frequentere perioden van droogte, werken onderzoekers steeds meer aan ontdekkingen die planten kunnen helpen zich aan te passen aan langdurige waterstress.
Onderzoekers van het Boyce Thompson Institute en Cornell University hebben de eerste studie afgerond die een alomvattend beeld geeft van veranderingen in genexpressie als reactie op waterstress in een vrucht – de tomaat, Solanum lycopersicum. droogte omstandigheden.
Gepubliceerd in het decembernummer van Plantenfysiologiewerd het werk geleid door het onderzoeksteam van Carmen Catalá, een assistent-professor bij BTI en een Senior Research Associate aan de School of Integrative Plant Science (SIPS) aan Cornell. Samenwerkende onderzoekers zijn onder meer Jocelyn Rose, een professor in SIPS, en BTI-professoren Jim Giovannoni, Zhangjun Fei en Lukas Mueller, die ook adjunct-professoren zijn in SIPS.
"We hebben een aantal genen geïdentificeerd die betrokken zijn bij de reactie op waterstress bij tomatenfruit", zegt Catalá. “We kunnen nu beginnen met het selecteren van kandidaatgenen die veredelaars kunnen helpen fruit te ontwikkelen dat zich kan aanpassen aan droogteomstandigheden, en niet alleen tomaten, maar ook druiven, appels en vlezig fruit in het algemeen. Dat is een potentiële toepassing van deze gegevens op de lange termijn.”
De onderzoekers keken naar de genexpressie in tomatenbladeren en zes fruitorganen (zilvervlies, placenta, septum, columella, gelei en zaden) op twee verschillende tijdstippen (groeiend en rijp fruit) en onder vier verschillende waterstressomstandigheden (geen, milde, gemiddelde en sterk).
De onderzoekers ontdekten dat elk vruchtorgaanweefsel in de loop van de tijd op unieke manieren veranderde.
"Minder dan 1% van de tot expressie gebrachte genen die werden beïnvloed door waterstress werden gedeeld door alle zes fruitweefsels, en meer dan 50% van de aangetaste genen waren specifiek voor één enkel weefsel", aldus Catala.
In tegenstelling tot de negatieve effecten van droogte, die fysiologische stoornissen en vruchtverlies veroorzaken, zijn er enkele positieve effecten geassocieerd met droogte – tenminste met milde droogte.
De onderzoekers ontdekten bijvoorbeeld dat waterstress de hoeveelheid lycopeen in rijp fruit verhoogt. Lycopeen is een antioxidant met gedocumenteerde gezondheidsvoordelen. Fruit met waterstress had ook een hogere biosynthese van zetmeel, wat zoetere tomaten kon opleveren.
De onderzoekers ontdekten ook dat ze tomaten konden ‘trainen’ zodat ze beter bestand zijn tegen toekomstige waterdroogtes.
"Toen we de zaden van behandelde planten zaaiden, ontdekten we dat de zaailingen van gestresste tomaten een beter herstel van waterstress vertoonden in vergelijking met zaailingen van controletomaten", zegt Philippe Nicolas, een postdoctoraal wetenschapper in het laboratorium van Catalá en eerste auteur van het artikel.
Nicolas zei dat ze verschillende genen hebben geïdentificeerd waarvan de expressie wordt veroorzaakt door waterstress in volwassen zaden, die een belangrijke rol zouden kunnen spelen bij het verlenen van waterstresstolerantie aan de volgende generatie planten.
Het onderzoek was in een aantal opzichten uitdagend omdat de onderzoekers naar fruit keken. De meeste onderzoeken naar de reacties van planten op droogtestress onderzoeken de wortels en bladeren van zaailingen, omdat deze relatief eenvoudig te bestuderen zijn.
"Het is relatief eenvoudig om zaailingen onder stress te zetten, maar als je planten te veel stress geeft, zullen ze niet bloeien en geen fruit ontwikkelen", zegt Catalá. “Bovendien moet je, als je fruit wilt bestuderen, volwassen planten kweken, wat meer tijd, ruimte en algemene middelen kost.”