Goldene Tomaten: Wissenschaftler bauen Kamelienflavonole in das Fruchtfleisch ein
Neue Wege zur Verbesserung des gesundheitlichen Nutzens gängiger Sorten
Wissenschaftler haben die genetische Maschinerie entschlüsselt, die hinter den goldenen Blütenblättern der Kamelie (Camellia nitidissima) steckt, und diese Eigenschaft erfolgreich in Tomatenpflanzen übertragen, um deren Nährwert zu erhöhen. Durch die Identifizierung der wichtigsten Flavonole, die für die gelbe Pigmentierung der Blüte verantwortlich sind, konnten die Forscher fünf wichtige Gene identifizieren, die an ihrer Biosynthese beteiligt sind. Diese Gene wurden dann mit Hilfe eines synthetisch-biologischen Multigen-Ansatzes in Tomatenpflanzen eingeführt. Die gentechnisch veränderten Tomaten entwickelten ein goldgelbes Fruchtfleisch, das mit gesundheitsfördernden Flavonolen angereichert war, Verbindungen, die für ihre antioxidativen Eigenschaften bekannt sind. Dieser Durchbruch bringt nicht nur Licht in ein langjähriges Rätsel der pflanzlichen Pigmentierung, sondern eröffnet auch neue Wege zur Verbesserung des gesundheitlichen Nutzens gängiger Obstsorten.
Die goldene Kamelie, die für ihre seltenen und leuchtend gelben Blüten bekannt ist, hat Gartenbauer schon lange in ihren Bann gezogen. Während die meisten Kamelienarten rote oder weiße Blüten hervorbringen, fällt C. nitidissima durch ihre auffallend goldene Farbe auf. Die genauen Pigmente, die für diese Färbung verantwortlich sind, sind jedoch nach wie vor umstritten, wobei sowohl Flavonoide als auch Carotinoide als Kandidaten in Frage kommen. Gleichzeitig enthalten Tomaten - obwohl sie reich an Carotinoiden wie Lycopin sind - nur Spuren von Flavonolen in ihrem essbaren Fruchtfleisch. Angesichts der überragenden Bioverfügbarkeit und antioxidativen Kraft von Flavonolen wie Quercetin haben Wissenschaftler nach Möglichkeiten gesucht, diese Verbindungen in Obstkulturen anzureichern. Diese Herausforderungen veranlassten das Team, die einzigartigen Stoffwechselwege der Kamelie auf eine mögliche artübergreifende Anwendung hin zu untersuchen.
In einer am 7. November 2024 in Horticulture Research veröffentlichten Studie rekonstruierten Forscher der Zhejiang University, der Chinese Academy of Forestry und der Westlake University den Flavonol-Biosyntheseweg von C. nitidissima in Tomaten. Das Team identifizierte Quercetin-Derivate als Schlüsselpigmente in den gelben Kamelienblüten und isolierte fünf Gene, die für deren Produktion verantwortlich sind. Diese Gene wurden dann durch zwei Strategien der synthetischen Biologie in Tomatenpflanzen eingeführt, was zu Früchten mit leuchtend gelbem Fruchtfleisch und deutlich erhöhtem Flavonolgehalt führte.
Durch die Analyse von 23 goldenen Kamelienarten bestätigten die Forscher, dass Quercetin 3-O-Glucosid und 7-O-Glucosid die Hauptpigmente für die goldene Farbe sind. Mithilfe von Transkriptomik und Koexpressionsanalysen auf zwei Plattformen identifizierten sie fünf Schlüsselgene: CnCHS, CnF3'H, CnFLS1, CnUFGT14 und einen MYB-Transkriptionsfaktor. Das Enzym CnFLS1 zeigte eine außergewöhnliche katalytische Effizienz bei der Produktion von Quercetin. Diese Gene wurden in Nicotiana benthamiana exprimiert und stabil in die Tomate transformiert, wodurch zwei Sätze transgener Linien entstanden. Das Early-Activation-Design erwies sich als am effektivsten und brachte Tomatenfrüchte hervor, die nicht nur einen erhöhten Gehalt an Quercetin-Derivaten aufwiesen, sondern auch Kamelien-spezifische Flavonole wie Kameliensid A und C. Diese Verbindungen steigerten die antioxidative Kapazität der Früchte erheblich, was ein vielversprechender Ansatz für eine gesundheitsorientierte Züchtung ist.
"Dieses Projekt schlägt eine Brücke zwischen der Biologie von Zierpflanzen und der Verbesserung von Nahrungspflanzen", sagte Prof. Pengxiang Fan, der korrespondierende Autor der Studie. "Indem wir den Pigmentierungsweg der Kameliein die Tomate übertragen haben, haben wir gezeigt, wie die synthetische Biologie eingesetzt werden kann, um verborgenes metabolisches Potenzial zu wecken und ernährungsphysiologische Vorteile zu bieten. Diese Tomaten sehen nicht nur anders aus - sie tragen auch Verbindungen mit echten gesundheitsfördernden Eigenschaften in sich."
Der Erfolg dieses metabolischen Umbaus stellt einen bedeutenden Fortschritt in der synthetischen Pflanzenbiologie dar. Abgesehen von den ästhetischen Veränderungen weisen die mit Flavonolen angereicherten Tomaten eine erhöhte antioxidative Aktivität auf, was zu einer besseren Haltbarkeit und gesundheitlichen Vorteilen führen kann. Die Ergebnisse zeigen, wie wertvoll es ist, seltene Pflanzenarten nach bioaktiven Verbindungen zu durchsuchen und sie in Grundnahrungsmitteln einzusetzen. Wenn die Werkzeuge der synthetischen Biologie weiter verfeinert werden, könnte dieser Ansatz die Entwicklung funktioneller Lebensmittel verändern und neue Möglichkeiten für eine ernährungsorientierte Landwirtschaft schaffen.
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Originalveröffentlichung
Lina Jiang, Leiqin Han, Wenxuan Zhang, Yifei Gao, Xiaoyan Xu, Jia Chen, Shan Feng, Zhengqi Fan, Jiyuan Li, Xinlei Li, Hengfu Yin, Pengxiang Fan; "Elucidation of the key flavonol biosynthetic pathway in golden Camellia and its application in genetic modification of tomato fruit metabolism"; Horticulture Research, Volume 12, 2024-11-7
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