Gatersleben, Germany
September 28, 2020
Wild tomato species represent a rich gene pool for numerous desirable traits lost during domestication. Among them are e.g. robustness in harsh environment or resistance to various pathogens. - Credit: IPK
Domestication and subsequent intensive breeding of tomato had a major impact on fruit ripening and the myriad metabolic processes accompanying it. In result, modern tomato cultivars exhibit a range of archetypal fruit characteristics, including e.g. texture, size, aroma, pigmentation and flavor. At the same time, continuous selection through breeding resulted in reduced genetic diversity and recurrent elimination of significant fruit qualities, such as e.g. robustness of plants in drought stress or resistance to various pathogens.
In this study, the scientists utilized advanced genetic resources, together with multimodal molecular and phenotype profiling, to perform an integrative QTL analysis in tomato fruit. The population of interest included 580 introgression lines developed in the lab of Prof. Dani Zamir from the Hebrew University of Jerusalem. Each of these lines carries a small fragment of wild tomato Solanum pennellii in the background of a modern tomato cultivar M82. The team of Prof. Asaph Aharoni from the Weizmann Institute of Science performed a multimodal profiling of fruits from the whole population, including RNA sequencing, mass spectrometry-based metabolomics and pathogen sensitivity assays at different developmental stages. The resulting massive data resource was used in a multi-level QTL analysis and allowed Dr. Jedrzej Jakub Szymanski, head of the research group "Networking and Modelling" at IPK and former researcher in Prof. Aharoni´s lab, to draw causal links between genetic sequence variation, quantitative changes in gene expression and metabolite levels, and changes of complex phenotypic traits.
From hundreds of identified interactions the team picked several interesting candidates. "We focused on the impact of S. pennellii genes on human nutrition-associated secondary (specialized) metabolites and fruit resistance to pathogens, two very contrasting biochemical traits in the wild and domesticated tomato species", says Dr. Szymanski. The research team identified and characterized an enzymatic step in the predicted pathway wherein α-tomatine, the fundamental anti-nutritional and defense alkaloid present in green tomato fruits, is converted to esculeosides and lycoperosides during fruit ripening. "This chemical shift is probably important for reducing the bitterness provided by α-tomatine and/or countering temporal needs for defensive fruit metabolites", says Dr. Szymanski. Furthermore, loci and genes associated with the accumulation of health-promoting flavonoids in the fruit skin tissue were delineated. Observed changes in gene expression and metabolism, e.g. accumulation of defense metabolites, also affected complex phenotypes, such as pathogen resistance. "In our study, we observed that increased resistance of fruits to a common fungal pathogen B. cinerea was reflected on multiple levels of cellular complexity - variation in gene sequence, gene expression, accumulation of specific metabolites. Networking these elements reveal mechanisms leading from changes on the molecular level to macroscopic effects relevant for plant survival and its commertial value", says Dr. Szymanski.
The large dataset generated in the study is a unique resource for the research community. "While we were able to characterize in depth only a few candidate genes and metabolites, the dataset can potentially be mined for tens, if not hundreds, more candidates and could be integrated with the wealth of published phenomics data available for the same introgression lines", says Dr. Szymanski.
Exploring the trajectory from wild to cultivated fruit is indispensable for a comprehensive understanding of fruit metabolism and the impact of human selection on both positive and negative fruit quality traits. "We anticipate that the genotype-phenotype associations inferred through this study will be a significant contribution to the current molecular breeding efforts to counter the recurrent elimination of key fruit quality traits such as flavor and pathogen resistance."
Originalpublikation:
Szymanski, Bocobza, Panda et al. (2020), Analysis of wild tomato introgression lines elucidates the genetic basis of transcriptome and metabolome variation underlying fruit traits and pathogen response. Nature Genetics.
DOI: 10.1038/s41588-020-0690-6
Analyse von Wildtomatenlinien klärt genetische Basis von Fruchtmerkmalen und Pathogenreaktion
Wildtomaten stellen einen wertvollen Genpool für agronomisch und ernährungsphysiologisch wichtige Merkmale dar. Dazu gehören z. B. eine bessere Anpassung an widrige Umgebungsbedingungen oder die Resistenz gegen bestimmte Krankheitserreger. Während der Domestikation sind diese oft verloren gegangen. Ein internationales Forscherteam, zu dem Wissenschaftler des IPK und des Weizmann-Institutes für Wissenschaften in Israel gehörten, nutzte eine Introgressionspopulation einer wildwachsenden und einer domestizierten Tomate, um die Übertragung und Wirkung von Merkmalen aus der wildverwandten Tomate im Detail zu untersuchen. Die Ergebniss wurden heute im Magazin "Nature Genetics" veröffentlicht.
Die Domestizierung und anschließende intensive Züchtung der Tomate hatte Einfluss auf die Fruchtreifung und wichtige Stoffwechselwege. Moderne Tomatensorten weisen viele gewünschte Merkmale auf, die unter anderem die Beschaffenheit der Früchte, die Fruchtgröße und deren Pigmentierung, aber auch Aromen und damit einhergehende geschmackliche Veränderungen betreffen. Gleichzeitig führte die kontinuierliche Selektion durch die Züchtung zu einer reduzierten genetischen Vielfalt und Eliminierung wichtiger Fruchteigenschaften, etwa in Bezug auf die Robustheit der Pflanzen gegen Trockenstress oder Pathogene.
In der vorliegenden Studie nutzten die Wissenschaftler genetische Ressourcen in Kombination mit multimodalen Methoden für eine tiefgreifende molekulare und phänotypische Charakterisierung - eine integrative QTL-Analyse. QTL sind quantitative Merkmalsausprägungen (Quantitative Trait Loci), die mit definierten Regionen im Genom korreliert sind, also eine statistische Wahrscheinlichkeit von Genfunktionen in einem chromosomalen Bereich.
Die in der Studie untersuchte Population umfasste 580 Introgressionslinien, die im Labor von Prof. Dani Zamir von der Hebräischen Universität in Jerusalem entwickelt wurden. Jede dieser Linien trägt ein kleines Fragment der Wildtomate Solanum pennellii im Hintergrund der Kulturtomatensorte „M82“. Das Team von Prof. Asaph Aharoni vom Weizmann-Institut erstellte nun in verschiedenen Entwicklungsstadien ein multimodales Profil von Früchten der gesamten Population, einschließlich RNA-Sequenzierung, Massenspektrometrie-basierter Metabolomik und Pathogen-Sensitivitätstests.
Die daraus resultierende immense Datenbasis wurde in einer mehrstufigen QTL-Analyse verwendet und erlaubte es Dr. Jedrzej Jakub Szymanski, Leiter der Forschungsgruppe "Netzwerkanalyse und Modellierung" am IPK und ehemaliger Mitarbeiter im Labor von Prof. Aharoni, kausale Zusammenhänge zwischen genetischer Sequenzvariation, quantitativen Veränderungen in der Genexpression und auf Metabolitenebene sowie Veränderungen komplexer phänotypischer Merkmale aufzuzeigen.
Aus Hunderten identifizierten Interaktionen wählte das Team mehrere interessante Kandidaten aus. „Zusammen mit unserem Kollegen aus dem Labor von Prof. Asaph Aharoni vom Weizmann-Institut konzentrierten wir uns auf den Einfluss der S. pennellii-Gene auf für die Ernährung relevanten sekundären Inhaltsstoffe sowie die Resistenz gegen Pathogene - zwei sehr gegensätzliche biochemische Eigenschaften von wilden und domestizierten Tomatenarten“, sagt Dr. Jedrzej Jakub Szymanski.
Das Forscherteam identifizierte einen enzymatischen Schritt in einem theoretisch vorhergesagten Stoffwechselweg. “α-Tomatin“ aus der Gruppe der Solanum-Alkaloide gilt als Anti-Ernährungs- und gleichzeitig als Abwehr-Alkaloid. Dieses kommt vor allem in unreifen, noch grünen Tomaten vor. Während der Fruchtreifung wird dieses Alkaloid in Eskuloside und Lycoperoside umgewandelt. „Diese chemische Veränderung ist wichtig, um die Bitterkeit, welche das α-Tomatin verursacht, zu reduzieren. Dadurch verringert sich jedoch der Gehalt an antibakteriell wirkenden Metaboliten“, sagt Dr. Szymanski, der die Arbeiten an diesem Projekt am Weizmann-Institut begann und dann am IPK fortführte.
Darüber hinaus wurden Genorte und Gene definiert, die mit der Akkumulation von gesundheitsfördernden Flavonoiden, darunter Farbstoffen im Fruchtschalengewebe, in Verbindung stehen. Beobachtete Veränderungen der Genexpression und des Stoffwechsels, z.B. die Akkumulation von Abwehrmetaboliten, wirkten sich auf die Pathogenresistenz aus.
„In unserer Studie beobachteten wir, dass sich die erhöhte Resistenz von Früchten gegen einen verbreiteten Pilzpathogen B. cinerea auf mehreren Ebenen der zellulären Reaktion dokumentierte - in Variationen der genetischen Information, der Expression von Genen, aber auch der Anhäufung spezifischer Metaboliten. Die Vernetzung dieser Elemente zeigt die Veränderungen auf molekularer Ebene, hin zu makroskopisch beobachtbaren Effekten, dem Phänotyp einer Merkmalsausprägung, auf. Diese sind einerseits für das Überleben der Pflanze, aber natürlich auch für den kommerziellen Erfolg wichtig“, sagt Dr. Szymanski.
Der in der Studie generierte große Datensatz stellt eine einzigartige Ressource für die Forschungsgemeinschaft dar. „Während wir beispielhaft nur einige wenige Kandidatengene und Metaboliten eingehend charakterisieren konnten, kann der Datensatz potenziell für Dutzende, wenn nicht gar Hunderte weitere Kandidaten genutzt werden“, sagt Dr. Szymanski.
Die Erforschung des Weges von der Wild- zur Kulturfrucht ist für ein umfassendes Verständnis des Stoffwechsels und des Einflusses der menschlichen Selektion auf positive und negative Qualitätsmerkmale von Früchten unerlässlich. „Wir gehen davon aus, dass die durch diese Studie geschlussfolgerten Genotyp-Phänotyp-Assoziationen einen bedeutenden Beitrag zu den gegenwärtigen molekularen Züchtungsbemühungen leisten werden, um der Eliminierung von Schlüsselmerkmalen der Fruchtqualität wie Geschmack, aber auch Pathogenresistenz entgegenzuwirken.“
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