Functional analysis of the role of tomato (Solanum lycopersicum L.) fruit photosynthesis in metabolism and development
Final Report Abstract
Das Hauptziel des Projektes war es, den direkten Beitrag der Photosynthese auf den Stoffwechsel und die Entwicklung der Tomate zu beurteilen. Das Hauptinteresse galt dabei der Wirkung, die eine Veränderung der Photosynthese der Frucht auf das Frucht-Wachstum, den Stoffwechsel, die Reifung und die Versorgung mit Kohlehydraten und anderen primären und sekundären Metaboliten hat. Zu diesem Zweck wurden transgene Tomatenpflanzen erzeugt, die unter der Kontrolle eines für grüne Früchte spezifischen Promotors, eine unabhängige Antisense-Hemmung der die kleine Untereinheit der Rubisco, Phosphoenolpyruvat Carboxylase (PEPC) und Glutamat-1-Semialdehyd-Aminotransferase (GSA), sowie die Überexpression des Letzteres Enzym aufwiesen. Die allgemeine Schlussfolgerung auf der Grundlage aller untersuchten Genotypen war, dass Tomatenfrüchte keine Netto-CO2-Assimilation besitzen, wie durch direkte Messung des Gasaustausches von an der Pflanze hängenden Früchte gezeigt wurde, zumindest für die getesteten Bedingungen. Untersuchungen an transgenen Pflanzen haben gezeigt, dass moderate Reduzierung der Aktivitäten der PEPC und Rubisco kaum Auswirkungen auf Leistung oder Reifung grüner Früchte hatten. In der Regel waren keine Verringerung der Frucht Photosynthesekapatzität sowie keine Veränderungen der primären oder sekundären Metaboliten erkennbar. Allerdings könnte es gut sein, dass Früchte mit einer erheblichen Hemmung oder vollständigem knock out dieser Funktionen einen besseren Überblick über die Rolle dieser Enzyme im Stoffwechsel der Tomatenfruchterzeugung geben. Eine Änderung des Chlorophyllgehaltes der Frucht durch Manipulation von GSA ergab einige interessante Ergebnisse. Eine Überexpression von GSA führte zu nur leichtem Anstieg des Frucht-Chlorophyll-a und im Grunde keiner Änderungen der Fruchtleistung, Reifeverhalten und des metabolisches Profil, obwohl das Transkriptom eine erhebliche Reduzierung vieler Transkripte die mit der Photosynthese in Zusammenhang stehen. Im Gegensatz dazu führt eine Antisense-Hemmung der GSA in der Frucht zu einem Chlorophyll-mangel Phänotyp der Frucht mit deutlichen negativen Auswirkungen auf die Frucht-Assimilation und Chlorophyllgehalt. Die Früchte wurden durch drastische Reduzierung des Chlorophyll (bis zu 90%) und Carotinoidegehalt gekennzeichnet. Die Gehalte von Zwischenprodukten des Calvin-Zyklus wurden erheblich reduziert, wohingegen viele Transkripte verbunden mit Calvin-Zyklus, Licht Reaktionen und Carotinoide Biosynthesewege wurden stark hochreguliert. Chlorophyll-Mangel Früchte wurden dennoch nicht durch signifikante Veränderungen der primären oder sekundären Metaboliten geprägt, wie durch Gaschromatographie und Flüssigkeits-Chromatographie – Massenspektrometrie gezeigt wurde. In Bezug auf die Rolle der Photosynthese in grünen Früchten auf die Frucht- Entwicklung gab es keinen Zusammenhang zwischen dem geringeren Chlorophyll-Gehalt und Photosyntheseleistung auf die Beeinträchtigt der Reifung der Früchte. Die Reduzierung des Chlorophylls führte zu einer verzögerten Fruchtreife, verhinderte sie jedoch nicht. Eine überraschende Feststellung war, dass der Chlorophyll-Mangel Früchte mehrere Anomalien in der Samenentwicklung aufwiesen, die vor allem in den frühen Stadien der Fruchtentwicklung auftraten, wie Abnahme der Anzahl der Samen pro Frucht und erhöhte Rate von Samenabtreibung und Nekrosen. Weitere Versuche sind erforderlich, um die Natur dieses Phänomen zu klären.
