Identifizierung des für verschiedene Fruchtester hauptverantwortlichen Lipoxygenasegens des Apfels

Abstract

Einführung:
Der Apfel ist das bedeutendste Obst in Deutschland. Der Geschmack eines Apfels ist abhängig von der Ausstattung an Schlüsselaromastoen, deren Konzentration sich sortenspezifisch unterscheidet. Einige wichtige Aromastoffe werden durch den Lipoxygenase-Stoffwechselweg gebildet. Als erstem Enzym in diesem Stoffwechselweg kommt der Lipoxygenase eine Schlüsselrolle zu. Durch die Oxigenierung von ungesättigten Fettsäuren werden Vorstufen für Stoffe gebildet, die dem Apfel seinen typischen Geruch und fruchtigen Geschmack verleihen und in weiteren Stoffwechselwegen wirken.

Methodik:
Es wurden die Lipoxygenasegene des Apfels mittels gene mining identiziert. Durch Sequenzanalyse und phylogenetische Analyse der Gensequenzen wurde die Funktion der Enzyme als 9- bzw. 13-LOX vorhergesagt. Die Sequenzanalyse von klonierten Amplikaten und die Strukturmodellierung erweiterten die in silico-Analysen. Die Notwendigkeit der Überprüfung von in silico-Ergebnissen wird diskutiert. Die Expression von 15 Lipoxygenase-Genen wurde mittels reverse transcriptase-PCR untersucht. Die Integration von Markern für vier Lipoxygenasegenen in eine existierende Kopplungskarte ermöglichte es, eine QTL-Analyse durchzuführen.

Ergebnisse:
Der Apfel besitzt 23 LOX-Gene, die unregelmäßig und zum Teil gruppiert auf 10 der insgesamt 17 Chromosomen des Apfels verteilt sind. Mithilfe der verfügbaren Sequenzen für Lipoxygenasegene anderer Bedecktsamer wurde eine Hypothese über die Expansion der Lipoxygenasegenfamilie aufgestellt: sieben Vorläufergene existierten in einer basalen Angiosperme. Innerhalb der Abstammungslinie der Rosengewächse kam es zunächst zu Tandem-Duplikation und später zur Verdopplung aufgrund einer Duplikation des gesamten Kerngenoms. Durch Expressionsanalysen wurden MdLOX1a und MdLOX5e als mögliche Fruchtaromakandidatengene ermittelt. Dabei ist die Expressionssteigerung von MdLOX1a eng an die Genussreife der Apfelfrucht gebunden. Von der Fruchtaromabildung unabhängige Funktionen werden aufgrund der Expression in anderen Geweben nicht ausgeschlossen. Sortenspezische Expressionsunterschiede verschiedener Lipoxygenasegene wurden festgestellt. Eine QTL-Analyse zeigte, dass sowohl MdLOX1a als auch MdLOX5e in Bereichen kartiert sind, die jeweils einen Einfluss auf wichtige Schlüsselaromastoffe des Apfels besitzen. Die biochemische  Charakterisierung im Rahmen des Kooperationsprojektes zeigte: MdLOX1a produziert Vorstufen für Fruchtester.

Schlussfolgerung:
MdLOX1a leistet unter den Apfellipoxygenasen den hauptsächlichen Beitrag für die Produktion von wichtigen Aromaschlüsselkomponenten, nämlich den unverzweigten Fruchtestern, Alkoholen und Aldehyden. Es konnten keine Hinweise gefunden werden, die die sortenspezischen Aromaunterschiede auf Sequenzpolymorphismen des MdLOX1a-Gens zurückführen.

Ausblick:
Die Funktionen von Lipoxygenasen im Stoffwechsel von Pfanzen sind vielfältig. Die Bestimmung von MdLOX1a als das hauptverantwortliche Lipoxygenase-Kandidatengen für Aroma einerseits und die Verfügbarkeit von klonierten und sequenzierten Sequenzen andererseits ermöglichen, Marker mit enger Kopplung zu diesem Gen zu entwickeln. Die Nutzung dieser Marker durch moderne markerbasierte Züchtungsstrategien könnte die auf Fruchtqualität ausgerichtete Sortenzüchtung wesentlich beschleunigen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bieten weiterhin eine Übersicht über die gesamte Lipoxygenasefamilie des Apfels. Dadurch sind gute Voraussetzungen geschaffen, um die Rolle von Lipoxygenasen während der Pathogeninteraktion und bei Entwicklungsprozessen des Apfels zu erforschen.