Biosynthese und Funktion kutikulärer Wachse der Tomate
Final Report Abstract
Im Prqjektzeitraum konnte gezeigt werden, dass die Tomatenfrucht, insbesondere des Kultivars MicroTom, ein ideales Modellsystem ist 1. zur Untersuchung der Biosynthese kutikulärer Wachse und 2. zur Korrelation von kutikulärer Wachszusammensetzung mit der daraus resultierenden Funktion als Transpirationsbarriere. Ein solch integrativer Ansatz, der von der Biosynthese, über die chemische Zusammensetzung bis hin zur funktionellen Analyse - im intakten System - reicht, lässt sich mit Arabidopsis thaliana nicht vergleichbar durchführen. Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Charakterisierung einer Transposon getaggten Wachsmutante der Tomate mit einem Verlust in einer ß-Ketoacyl-CoA Synthase Aktivität, einem Bestandteil eines Fettsäure-Elongase Komplexes. Der spezifische mutationsbedingte Gendefekt führte zu einer signifikant veränderten Wachszusammensetzung der Kutikula. Das betroffene Gen wurde isoliert, sequenziert und als LeCerö annotiert. LeCer6 erwies sich als ein Schlüsselenzym für die Tomatenwachsbiosynthese. Es wurde dabei auch ersichtlich, dass die Tomatenfrucht deutliche Unterschiede in der Komposition der intrakutikulären und der als Wachsfilm aufgelagerten epikutikulären Wachse aufweist. Die /ecerö-Mutante konnte keine sehr langkettigen Aliphaten, insbesondere Alkane bilden. Die als Konsequenz vermehrt eingelagerten zyklischen Triterpenverbindungen konnten allerdings die Transpirationsbarriereeigenschaften der Alkane nicht adäquat ersetzen. Somit konnten zum ersten Mal an einem intakten System die Eigenschaften von einzelnen Stoffgruppen der kutikulären Wachse bezüglich ihrer Barriereleistungsfähigkeit analysiert werden. Überraschend war, dass eine Tomatenfrucht schon sehr frühzeitig in ihrer Entwicklung einen effizienten kutikulären Transpirationsschutz aufbaut. Diese Barrierefunktion wird bis zur Vollreife beibehalten, obwohl die Wachsauflage noch lange Zeit quantitativ zunimmt. Mit einem im Projekt etablierten "Tomaten-Wachs-Array" wurde die Expression von 150 Genen, insbesondere im Zusammenhang mit der Biosynthese kutikulärer Wachse im Kontext der Fruchtentwicklung und mit dem Hintergrund des Funktionsverlustes von LeCerö untersucht. Dabei zeigten sich einige Gene mit unterschiedlichen Expressionsmustern differentiell exprimiert, was deren Beteiligung an der Wachsbildung der Tomatenfrucht nahe legt. Beim Ernten von Tomatenfrüchten wird die Frucht durch das Entfernen des Fruchtstiels an der ehemaligen Ansatzstelle ("Stem-Scar") verletzt. Diese Verwundungsstelle wird innerhalb von wenigen Tagen durch ein neu gebildetes suberinisiertes Gewebe wieder "verschlossen". Dadurch wird zum einen nachweislich ein verstärkter Wasserverlust vermieden, zum anderen aber auch ein Eindringen von Tomatenpathogenen verhindert. Mit Hilfe von Tomatenmutanten wurde die Bedeutung der Abscisinsäure als ein wichtiges Signal für die Neusynthese dieses Abschlussgewebes gezeigt. Mit dem "Wachs-Array" wurde wiederum die Genexpression von ausgewählten Genen der Wachsbiosynthese während der Heilung der Wunde am Fruchtstielansatz analysiert. Hierbei sind in erster Linie ein Gen, das für ein Lipid Transfer Protein kodiert, sowie ABA- und Stress-induzierbare Gene (DS2 und TAS14) zu nennen, die eine transient verstärkte Expression bereits einen Tag nach Verwundung aufweisen.
Publications
- Leide J, Hildebrandt U, Reussing K, Riederer M, Vogg G. 2007. The developmental pattern of tomato fruit wax accumulation and its impact on cuticular transpiration barrier properties: effects of a deficiency in a beta-ketoacyl-coenzyme A synthase (LeCERo). Plant Physiology 144(3), 1667-1679.
- Vogg G, Fischer S, Leide J, Emmanuel E, Jetter R, Levy AA, Riederer M. 2004. Tomato fruit cuticular waxes and their effects on transpiration barrier properties: functional characterization of a mutant deficient in a very-long-chain fatty acid beta-ketoacyl-CoA synthase. Journal of Experimental Botany 55, 1401-1410.
- Vortrag in Wien 2005: International Botanical Congress Vogg G: Tomato fruits, a novel model system for elucidating the biosynthesis of an efficient cuticular transpiration barrier
- Vortrag Workshop on Extracellular Biopolymers 2004 in Peking Vogg G: Tomato as a model system for elucidating biosynthesis and function of cuticular waxes
