Was bestimmt den Geschmack und das Aussehen eines Pfirsichs? Wir haben vierzehn Jahre gebraucht, um es herauszufinden

„Zehn Jahre lang habe ich die Geheimnisse der Pfirsiche erforscht und mit einzigartigem Einfallsreichtum schwierige Probleme gelöst.“ Mein Name ist Han Yuepeng, ich bin Leiter des Teams für molekulare Obstbaumzucht im Botanischen Garten Wuhan der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Postwissenschaftler am National Peach Industry Technology System. Seit 2010 widmen mein Team und ich uns seit mehr als vierzehn Jahren der Erforschung der Genetik und Verbesserung der Pfirsichqualität.

Der Pfirsich stammt ursprünglich aus China und hat in unserem Land eine jahrtausendealte Anbaugeschichte. Die frühesten schriftlichen Aufzeichnungen gehen auf das „Buch der Lieder“ zurück: „Im Garten stehen Pfirsichbäume, ihre Früchte sind köstlich“ und „Die Pfirsichbäume sind jung und zart, ihre Blüten sind leuchtend und schön.“ Tao Yuanming aus der Jin-Dynastie beschrieb in seinem „Pfirsichblütenfrühling“ ein Paradies auf Erden, eine ideale, von der Welt isolierte, friedliche und ruhige Gesellschaft. Diese Anspielung machte „Peach Blossom Spring“ auch zum Synonym für eine ideale Welt. Das Gedicht des Dichters Bai Juyi aus der Tang-Dynastie „Die Blumen des Aprils verwelken auf der Erde und die Pfirsichblüten im Bergtempel beginnen zu blühen“ legt nahe, dass die Menschen die Zeit wertschätzen und jeden schönen Augenblick des Lebens genießen sollten.

Darüber hinaus gelten Pfirsiche oft als Symbol für Langlebigkeit und Unsterblichkeit. In der berühmten taoistischen Legende drehte sich beim Pfirsichbankett der Königinmutter des Westens alles um Pfirsiche. Der Legende nach reifen diese Pfirsiche nur alle paar tausend Jahre und ihr Verzehr kann Unsterblichkeit verleihen. Man kann erkennen, dass der kleine Pfirsich nicht nur eine köstliche Frucht ist, sondern auch eine wichtige Stellung in der chinesischen Kultur einnimmt und zu einem gemeinsamen Element in Literatur, Kunst und Folklore geworden ist. Tatsächlich verbirgt sich aus biologischer Sicht viel Wissen hinter dem kleinen Pfirsich.

Pfirsiche sind reich an Vitamin C, Ballaststoffen und verschiedenen Mineralien, die gut für die Gesundheit sind. Daher ist der Pfirsich als nährstoffreiche und wohlschmeckende Frucht auf dem Markt sehr gefragt. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung moderner Züchtungstechnologien kommen immer mehr Pfirsichsorten auf den Markt.

Was die Fruchtfarbe betrifft, gibt es Pfirsiche mit rotem, gelbem und weißem Fruchtfleisch. vom Aussehen her unterscheidet man runde und flache Pfirsiche; Je nachdem , ob sich auf der Fruchtoberfläche Haare befinden, können sie in Nektarinen (glatte Oberfläche) und haarige Pfirsiche (haarige Oberfläche) unterteilt werden. je nach Beschaffenheit des Fruchtfleisches können sie in weiche Pfirsiche (gelöst) und harte Pfirsiche (nicht gelöst) unterteilt werden; Je nach Grad der Trennung zwischen Kern und Fruchtfleisch gibt es Unterschiede zwischen freien und klebrigen Kernen … „Die große morphologische Variation zeigt, dass Pfirsiche eine große genetische Vielfalt aufweisen und reiche wissenschaftliche Geheimnisse bergen.“

Unsere Forschung ist ein Versuch, diese Geheimnisse zu lüften, bei der Vererbung und Verbesserung der Pfirsichfruchtqualität zu helfen und zu einer gesunden Entwicklung der Pfirsichindustrie beizutragen . „

Teil 1 „Einer von tausend“, um das Geheimnis der Blutpfirsichfärbung zu lüften

Hubei ist eines der wichtigsten Pfirsichanbaugebiete meines Landes und liegt mit einer Anbaufläche von etwa 1,1 Millionen Mu an vierter Stelle unter allen Provinzen des Landes. Derzeit ist von Jahr zu Jahr ein steigender Trend zu verzeichnen. Darunter ist der rotfleischige Pfirsich, eine lokale Sorte in Hubei, bei den Verbrauchern wegen seiner blutroten Fleischfarbe und hohen antioxidativen Wirkung beliebt und hat auch die Aufmerksamkeit der Züchter auf sich gezogen. Rotfleischiger Pfirsich, auch als Blutpfirsich bekannt, stammt laut „Flora of China: Peach“ möglicherweise ursprünglich aus dem Kreis Dawu. Die Namen der rotfleischigen Pfirsiche variieren an verschiedenen Orten. Es hat auch viele Namen wie Dahongpao, Xiaohongpao, Rouge Peach, Zhushahong und Goublood Peach.

Nachdem ich nach China zurückgekehrt war und ein Labor eingerichtet hatte, war das erste Thema, das mich interessierte, rotfleischige Pfirsiche. Aufgrund der schlechten Laborbedingungen und der knappen Finanzierung war es damals jedoch nicht einfach, diese Forschung durchzuführen. Glücklicherweise traf ich eine Gruppe fleißiger, hart arbeitender und unternehmungslustiger Doktoranden. Ich bin auch dem Forscher He Huaping vom Fruit and Tea Research Institute der Hubei Academy of Agricultural Sciences sehr dankbar, dass er uns damals mit großer Begeisterung mit Forschungsmaterialien versorgt hat.

Alles ist vorbereitet und das Thema der Analyse des Färbungsmechanismus des Blutpfirsichs wird offiziell auf die Tagesordnung gesetzt. Nach Vorversuchen erhielten wir komplexe Analyseergebnisse, was bedeutete, dass wir aus Tausenden von unterschiedlich exprimierten Kandidatengenen die Schlüsselgene finden mussten, die die Farbmerkmale der Blutpfirsiche steuern. Offensichtlich ist dies keine leichte Aufgabe.

In dieser Zeit verbrachten meine Studenten und ich fast jeden Tag im Labor, optimierten ständig Versuchspläne, verbesserten Versuchsmethoden, konsultierten immer wieder relevante Literatur und überprüften Versuchsdaten. Schließlich nutzten wir in Zusammenarbeit mit neuseeländischen Wissenschaftlern die virusvermittelte Technologie der vorübergehenden Stilllegung, um das Ziel der Validierung von Kandidatengenen im Pfirsichmark zu erreichen.

Schließlich gelang es dem Forschungsteam, das BL-Gen zu klonen, das die Färbung von Blutpfirsichen reguliert , und erfolgreich zu erklären, warum es so offensichtliche Unterschiede im Fruchtfleisch von Blutpfirsichen und weißen Pfirsichen gibt. Diese Erfolge waren für unser Team ein großer Durchbruch. Gleichzeitig ist das in der Studie entdeckte BL-Gen auch das erste funktionale Gen, das durch kartenbasierte Klonmethoden in der chinesischen Obstbaumforschung entdeckt wurde . Diese wissenschaftliche Entdeckung hat die Forschung zur Genetik von Obstbäumen in meinem Land enorm vorangetrieben.

Teil 2: Rotes „Herz“ bringt Probleme bei der Konservenproduktion

Neben der spezielleren Sorte des Blutpfirsichs gibt es noch eine weitere Pfirsichart, die im täglichen Leben ebenfalls weit verbreitet ist, über deren wissenschaftliche Hintergründe sich jedoch nur wenige Gedanken machen. In der Pfirsichverarbeitungsindustrie gibt es ein Phänomen namens „Rot nahe dem Kern“, bei dem das Fruchtfleisch in der Nähe des Pfirsichkerns rot ist. Dieses Phänomen stellt zusätzliche Herausforderungen für die Produktion von Pfirsichkonserven dar. Denn dies bedeutet, dass beim Einmachen von Pfirsichen eine zusätzliche Verarbeitung des roten Fruchtfleisches erforderlich ist, was die Produktionskosten erhöht. Daher ist die Erforschung der Ursache für die Eigenschaft „Near-Nuclear Red“ nicht nur eine interessante wissenschaftliche Frage, sondern stellt auch ein industrielles Bedürfnis dar, das dringend angegangen werden muss.

Mithilfe experimenteller Techniken wie Genetik und Molekularbiologie haben wir Dutzende möglicher Kandidatengene herausgefiltert. Durch kontinuierliche Eliminierung und Tests haben wir schließlich die wichtigen Gene identifiziert, die die Bildung des nahezu roten Kernmerkmals von Pfirsichfrüchten regulieren, und ihre wichtigsten synergistischen Faktoren entdeckt. Durch die gemeinsame Wirkung dieser beiden Gene wird das Transkriptionsniveau des „Sterngens“ PpMYB10.1, das die Anthocyansynthese reguliert, gefördert, was zu einer großen Ansammlung von Anthocyanen in der Nähe des Zellkerns führt und das Phänomen des „Near-Nuclear Red“ zur Folge hat. Die Forschungsergebnisse können wichtige theoretische Grundlagen und genetische Ressourcen für die Züchtung neuer Verarbeitungspfirsichsorten liefern.

Teil 3: Jeder Pfirsich hat Haare, aber warum sind Nektarinen glatt?

Als formenreiche Frucht zeigen sich die Unterschiede zwischen Pfirsichen nicht nur im Fruchtfleisch, sondern auch in ihrem Aussehen. Jeder hat sich schon immer gefragt: Warum haben manche Pfirsiche Haare auf der Oberfläche, während andere glatt und haarlos sind? Was bewirkt, dass die Pfirsichoberfläche glatt ist oder nicht? Einem Doktoranden in unserem Team ist dieses interessante Problem ebenfalls aufgefallen. Basierend auf den Ergebnissen früherer genetischer Forschung fand er nach mehr als einem Jahr der Analyse und Überprüfung der Genfunktionen das Schlüsselkandidatengen, das die Differenzierung von Pfirsichen und Nektarinen bewirkt.

Gerade als er sich mit dem Schreiben einer wissenschaftlichen Arbeit beschäftigte, wurde in aller Stille ein ähnlicher Artikel im Internet veröffentlicht – ein italienischer Wissenschaftler hatte sich ebenfalls mit diesem Thema befasst und das Schlüsselgen entdeckt, das die Bildung von Nektarinen steuert. Gleiche Eigenschaften, gleiche Gene, wodurch die wissenschaftliche Forschungsarbeit der Studierenden plötzlich unattraktiv wird. Während ich meine enttäuschten Studenten tröstete, dachte ich darüber nach, wie ich in diesem Bereich eingehendere Forschungen durchführen könnte, damit die bisherigen Bemühungen nicht umsonst waren. Ich freute mich auch darauf, schlüssigere Beweise für das Verständnis des Differenzierungsmechanismus von Nektarinen und Pfirsichen zu liefern.

Harte Arbeit zahlt sich aus. Durch die gemeinsamen Anstrengungen der Teammitglieder haben wir außerdem den Grund für die glänzende Oberfläche von Nektarinen herausgefunden, der auf der haarigen und haarlosen Oberfläche von Pfirsichen basiert. Noch interessanter ist, dass das Gen, das diese beiden Merkmale steuert, dasselbe ist – PpMYB25 , das nicht nur die Bildung von Pfirsichhauthaaren steuert, sondern auch die Synthese von Hautwachs reguliert. Wenn PpMYB25 mutiert, führt dies dazu, dass die Pfirsichhaut glänzend und haarlos wird, was wir normalerweise als „Nektarine“ bezeichnen.

Teil 4: „Leichtes Make-up“ oder „starkes Make-up“? Anthocyane haben das letzte Wort

Neben Pfirsichfrüchten ist die Liebe der Menschen zu Pfirsichblüten von der Antike bis in die Gegenwart kontinuierlich gewachsen, und der zweifarbige Pfirsich ist der unangefochtene Spitzenreiter unter den Pfirsichblüten. „Ein Büschel Pfirsichblüten blüht herrenlos, ich liebe das tiefe Rot und das helle Rot“ und „Zum Glück lerne ich dein Pfirsichblütengesicht kennen, von nun an gibt es mehr warmen Frühling an den Straßenrändern.“ Der Dichter Shao Yong aus der Song-Dynastie schrieb auch ein Gedicht, in dem er speziell den zweifarbigen Pfirsich lobte: „Rot und Rosa sind beide gut, beide sind atemberaubend schön. Ich vermute, sie sind Zwillingsschwestern im Rui-Palast, beide sind bereit, gleichzeitig die Frühlingsbrise zu heiraten.“ Der zweifarbige Pfirsich ist allgemein als Pfirsich mit „roten und weißen Blüten“ bekannt. Diese Sorte hat abwechselnd rote, weiße und rosa Blüten an einem Baum oder einem Zweig und einige Blütenblätter sind sogar rot und weiß.

Um das magische Phänomen der „springenden Farben“ bei roten und weißen Blüten zu ergründen, haben wir umfangreiche Untersuchungen durchgeführt: von der Analyse der Unterschiede im Anthocyangehalt und in den Anthocyanarten bei Blüten unterschiedlicher Farben bis hin zur Erkennung der Transkriptionsniveaus von Strukturgenen und Anthocyantransportern im Anthocyansyntheseweg; von der vergleichenden Transkriptomanalyse bis zur vergleichenden Proteomanalyse ... Hinter jedem scheinbar einfachen Prozess stecken unzählige Tage und Nächte harter Arbeit der Teammitglieder, und sie werden nie müde, sich zu wiederholen. Im Laufe unserer Forschungen fanden wir schließlich den Grund für das Auftreten dieser bunten Blume heraus.

Es stellt sich heraus, dass das Riant-Gen, das den Transport von Anthocyanen steuert, „ungezogener“ ist. Die Studie ergab, dass in weißen und rosa Blüten mehrere Basen fehlten oder eingefügt waren, was zur Inaktivierung des Riant-Gens führte, sodass Anthocyane nicht normal zur Speicherung in die Vakuole transportiert werden konnten , was zu den Farbunterschieden der Pfirsichblüten führte. Dies manifestiert sich in der gesamten Pflanze, wobei ein Baum, ein Zweig oder eine Blume gleichzeitig rot, weiß und rosa erscheinen kann.

Teil 5: Wir erreichen das „kleine Ziel“ dieser Branche Schritt für Schritt

Farbe und Geschmacksqualität sind die beiden Hauptfaktoren zur Beurteilung der Fruchtqualität, wobei der Gehalt und das Verhältnis von organischen Säuren und löslichen Zuckern die Schlüsselfaktoren sind, die die Geschmacksqualität der Früchte bestimmen. Um den kommerziellen Wert von Pfirsichen weiter zu steigern, hat sich unser Team auch der Untersuchung des genetischen Mechanismus der Ansammlung von organischer Säure und löslichem Zucker in Pfirsichen verschrieben. Die Chinesen bevorzugen den süßen Geschmack, während die Europäer und Amerikaner den sauren Geschmack bevorzugen. Aufgrund dieser geschmacklichen Unterschiede werden im Osten und Westen auch unterschiedliche Schwerpunkte bei der Auswahl und Züchtung von Obstbaumsorten gesetzt.

Einige von Chinesen gezüchtete Pfirsichsorten weisen meist einen hohen Zucker- und niedrigen Säuregehalt auf, während die Sorten im Westen einen hohen Zucker- und hohen Säuregehalt oder einen mittleren Zucker- und hohen Säuregehalt aufweisen. Die phänotypischen Unterschiede zwischen verschiedenen Sorten hängen sicherlich mit dem Stand der Anbautechnik und Umweltfaktoren zusammen, hauptsächlich werden solche Unterschiede jedoch durch genetische Faktoren bestimmt. Um die Mechanismen zu verstehen, die den Säure- und Zuckergehalt von Pfirsichen beeinflussen, haben wir entsprechende Untersuchungen durchgeführt. Im letzten Jahrzehnt hat unser Team mehr als 200 Kernkeimmaterialien von Pfirsichen konserviert. Mithilfe dieser Materialien und genetischer Methoden haben wir Kandidatengene identifiziert, die den Säure- und Zuckergehalt von Pfirsichen steuern, und den Mechanismus aufgeklärt, durch den sie den Zucker- und Säuregehalt in Pfirsichen beeinflussen.

Basierend auf diesen Forschungsergebnissen haben wir eine Reihe molekularer Marker entwickelt, die signifikant mit Zucker- und Säureeigenschaften assoziiert sind . Mithilfe der Informationen dieser Schlüsselseiten können wir Sie bei der Auswahl der Pfirsich-Hybridnachkommen unterstützen und technische Unterstützung bei der Züchtung hochwertiger Pfirsichsorten leisten. „Das ultimative Ziel der Grundlagenforschung ist es, der industriellen Entwicklung zu dienen.“ Traditionelle Züchtungsmethoden werden nach und nach durch moderne Züchtungsmethoden ersetzt und Technologien wie die Züchtung durch vollständige Genomauswahl, die Verbesserung der Gentechnik und die Genomeditierung werden aufgrund ihrer offensichtlichen Vorteile irgendwann auf der Bühne der Zeit Einzug halten.

Allerdings ist die genetische Transformation von Pfirsichen ein globales Problem und bisher gibt es kein effizientes und vollständig stabiles genetisches Transformationssystem für Pfirsiche. „Auch wenn es ein harter Knochen ist, müssen wir ihn zerkauen.“ Nach fünf Jahren harter Arbeit und nachdem wir mehr als 100 verschiedene Sorten unterschiedlichen Explantatmaterials ausprobiert hatten, konstruierten wir schließlich ein wurzeltransgenes, Agrobacterium-vermitteltes System zur genetischen Transformation von Pfirsichwurzeln und erhielten die zusammengesetzte Pflanze „transgene Wurzel-Wildknospe“. Gleichzeitig ist es uns gelungen, ein stabiles genetisches Transformationssystem für Pfirsichkallusgewebe zu etablieren, und der Aufbau des Transformationssystems für komplette Pfirsichpflanzen verläuft derzeit planmäßig.

Teil 6: Als ich auf einen Engpass stieß, beschloss ich, mich in die Literatur zu „vergraben“.

Viele Leute fragen mich: „Was ist das Geheimnis wissenschaftlicher Forschung?“ Ich habe darüber nachgedacht und es gibt kein Geheimnis, aber wenn ich eines nennen muss, dann ist es „Beharrlichkeit“. Wenn ich bei der wissenschaftlichen Forschung auf Probleme oder Engpässe stoße, vertiefe ich mich in die Literatur, denke und analysiere wiederholt und suche nach Durchbrüchen zur Lösung der Probleme. Es ist diese Einstellung, uns ständig mit Erkenntnissen aus der Spitzenforschung zu bereichern, die neuesten dynamischen Bedürfnisse des Landes und der Industrie ständig zu beobachten und ständig experimentelle Analysen und Zusammenfassungen durchzuführen, die es uns ermöglicht, in unserer Forschung kontinuierliche Fortschritte zu erzielen.

Unsere Forschung hat nicht nur wichtige Durchbrüche in der Wissenschaft erzielt, sondern hat auch weitreichende Bedeutung für die Entwicklung der Pfirsichindustrie. Basierend auf den grundlegenden Forschungsergebnissen zur Geschmacks- und Farbqualität von Pfirsichen haben wir molekulare Marker entwickelt, die eng mit dem Zucker- und Säuregehalt verknüpft sind, Hybrideltern ausgewählt und eine molekularmarkergestützte Selektionszüchtung durchgeführt. In den letzten zwei Jahren hat unser Team mit der Hubei Academy of Agricultural Sciences und der Anhui Academy of Agricultural Sciences zusammengearbeitet, um vier neue Pfirsichsorten auszuwählen und zu züchten, mit einer kumulierten Anwendungs- und Förderfläche von mehr als 20.000 Acres. Diese neuen Sorten bereichern nicht nur das Angebot auf dem Markt, sondern steigern auch den wirtschaftlichen Nutzen der Pfirsichindustrie.

Bei der Erforschung der Genetik und Züchtung von Pfirsichen sind wir auf viele Herausforderungen gestoßen, haben aber auch viele wichtige Durchbrüche erzielt. Wir hoffen, dass wir in Zukunft die Farbe und den Geschmack von Pfirsichen frei kontrollieren können, hart daran arbeiten können, die vielfältigen Bedürfnisse der Verbraucher zu erfüllen und die Wettbewerbsfähigkeit der Pfirsichindustrie deutlich zu steigern. Wir werden weiterhin gründliche Forschung betreiben und danach streben, weitere Durchbrüche auf dem Gebiet der Genetik und Verbesserung von Pfirsichfrüchten zu erzielen und zur Entwicklung der Pfirsichindustrie beizutragen. Wissenschaftliche Forschung ist eine langwierige und mühsame Aufgabe, die unermüdlichen Einsatz und Innovationsgeist erfordert. Auf dem Weg der wissenschaftlichen Forschung sind wir wie fleißige Handwerker, die ständig im Pfirsichgarten arbeiten und eine Gruppe nach der anderen aufstrebender Talente heranbilden. Wir alle sind jedoch bereit, „Pioniere“ zu sein und diese Leidenschaft für die wissenschaftliche Forschung von Generation zu Generation weiterzugeben …

Quelle: Science Institute