Ettersom klimaendringer forventes å føre til hyppigere tørkeperioder, jobber forskere i økende grad med å gjøre funn som kan hjelpe planter med å tilpasse seg langvarig vannstress.
Forskere fra Boyce Thompson Institute og Cornell University har fullført den første studien for å gi et omfattende bilde av endringer i genuttrykk som respons på vannstress i en frukt – tomaten, Solanum lycopersicum – som identifiserer gener som kan hjelpe planteoppdrettere med å utvikle frukt som kan takle tørkeforhold.
Publisert i desemberutgaven av Plantfysiologi, ble arbeidet ledet av forskerteamet til Carmen Catalá, en assisterende professor ved BTI og en seniorforsker ved School of Integrative Plant Science (SIPS) ved Cornell. Samarbeidende forskere inkluderer Jocelyn Rose, en professor i SIPS, og BTI-professorene Jim Giovannoni, Zhangjun Fei og Lukas Mueller, som også er adjungerte professorer i SIPS
"Vi identifiserte en rekke gener som er involvert i vannstressresponsen i tomatfrukten," sa Catalá. "Vi kan nå begynne å velge kandidatgener som kan hjelpe oppdrettere med å utvikle frukt som kan tilpasse seg tørkeforhold, og ikke bare tomater, men også druer, epler og kjøttfull frukt generelt. Det er en langsiktig potensiell anvendelse av disse dataene."
Forskerne så på genuttrykk i tomatblader og seks fruktorganer (pericarp, placenta, septum, columella, gelé og frø) på to forskjellige tidspunkter (voksende og moden frukt) og under fire forskjellige vannstressforhold (ingen, mild, middels og sterk).
Forskerne fant at hvert av fruktorganvevene endret seg på unike måter over tid.
"Mindre enn 1% av de uttrykte genene som ble påvirket av vannstress ble delt mellom alle seks fruktvev, og mer enn 50% av de berørte genene var spesifikke for et enkelt vev," sa Catala.
I motsetning til de negative effektene av tørke, som utløser fysiologiske lidelser og frukttap, er det noen positive effekter forbundet med tørke – i hvert fall med mild tørke.
For eksempel fant forskerne at vannstress øker mengden lykopen i moden frukt. Lykopen er en antioksidant som har dokumentert helsemessige fordeler. Vannstresset frukt hadde også høyere nivåer av stivelsesbiosyntese, noe som kunne gi søtere tomater.
Forskerne fant også at de kunne "trene" tomater til å være mer motstandsdyktige mot fremtidige vanntørker.
"Da vi sådde frøene fra behandlede planter, fant vi ut at frøplantene fra stressede tomater viste bedre utvinning fra vannstress sammenlignet med frøplanter fra kontrolltomater," sa Philippe Nicolas, en postdoktor i Catalás laboratorium og førsteforfatter på avisen.
Nicolas sa at de identifiserte flere gener hvis uttrykk er indusert av vannstress i modne frø, som kan spille viktige roller i å gi vannstresstoleranse til neste generasjon planter.
Studien var utfordrende på noen få måter fordi forskerne så på frukt. De fleste studier av planters respons på tørkestress undersøker frøplanterøtter og blader fordi de er relativt enkle å studere.
"Det er relativt lett å stresse frøplanter, men hvis du stresser plantene for mye, vil de ikke blomstre og utvikle frukt," sa Catalá. "I tillegg, når du vil studere frukt, må du dyrke voksne planter, noe som tar mer tid, plass og generelle ressurser."