Da klimaændringer forventes at føre til hyppigere perioder med tørke, arbejder forskere i stigende grad på at gøre opdagelser, der kan hjælpe planter med at tilpasse sig langvarig vandstress.
Forskere fra Boyce Thompson Institute og Cornell University har afsluttet den første undersøgelse for at give et omfattende billede af genekspressionsændringer som reaktion på vandstress i en frugt - tomaten, Solanum lycopersicum - der identificerer gener, der kan hjælpe planteavlere med at udvikle frugt, der kan klare tørkeforhold.
Udgivet i decembernummeret af Plantfysiologi, blev arbejdet ledet af forskerholdet af Carmen Catalá, en assisterende professor ved BTI og en Senior Research Associate i School of Integrative Plant Science (SIPS) hos Cornell. Samarbejdende forskere omfatter Jocelyn Rose, en professor i SIPS, og BTI-professorerne Jim Giovannoni, Zhangjun Fei og Lukas Mueller, som også er adjungerede professorer i SIPS
"Vi identificerede en række gener, der er involveret i vandstressrespons i tomatfrugten," sagde Catalá. "Vi kan nu begynde at udvælge kandidatgener, der kan hjælpe opdrættere med at udvikle frugt, der kan tilpasse sig tørkeforhold, og ikke kun tomater, men også vindruer, æbler og kødfulde frugter generelt. Det er en langsigtet potentiel anvendelse af disse data."
Forskerne så på genekspression i tomatblade og seks frugtorganer (pericarp, placenta, septum, columella, gelé og frø) på to forskellige tidspunkter (voksende og moden frugt) og under fire forskellige vandstressforhold (ingen, mild, mellem og stærk).
Forskerne fandt ud af, at hvert af frugtorganernes væv ændrede sig på unikke måder over tid.
"Mindre end 1% af de udtrykte gener, der blev påvirket af vandstress, blev delt mellem alle seks frugtvæv, og mere end 50% af de berørte gener var specifikke for et enkelt væv," sagde Catala.
I modsætning til de negative virkninger af tørke, som udløser fysiologiske lidelser og frugttab, er der nogle positive effekter forbundet med tørke - i hvert fald med mild tørke.
For eksempel fandt forskerne ud af, at vandstress øger mængden af lycopen i moden frugt. Lycopen er en antioxidant, der har dokumenterede sundhedsmæssige fordele. Vandstresset frugt havde også højere niveauer af stivelsesbiosyntese, hvilket kunne give sødere tomater.
Forskerne fandt også ud af, at de kunne "træne" tomater til at være mere modstandsdygtige over for fremtidige vandtørke.
"Da vi såede frøene fra behandlede planter, fandt vi ud af, at frøplanterne fra stressede tomater viste forbedret restitution fra vandstress sammenlignet med frøplanter fra kontroltomater," sagde Philippe Nicolas, en postdoktor i Catalás laboratorium og førsteforfatter på papiret.
Nicolas sagde, at de identificerede flere gener, hvis ekspression er induceret af vandstress i modne frø, som kunne spille en vigtig rolle i at give vandstresstolerance til næste generation af planter.
Undersøgelsen var udfordrende på nogle få måder, fordi forskerne kiggede på frugt. De fleste undersøgelser af planters reaktion på tørkestress undersøger frøplanterødder og blade, fordi de er relativt nemme at studere.
"Det er relativt nemt at stresse frøplanter, men hvis du stresser planter for meget, vil de ikke blomstre og udvikle frugt," sagde Catalá. "Plus, når du vil studere frugt, skal du dyrke voksne planter, hvilket tager mere tid, plads og overordnede ressourcer."