FLANDERS' FOOD RADAR

Ethyleenproductie van tomaat: netwerken op verschillende biologische niveaus

Tomaten maken tijdens het rijpen grote hoeveelheden van het plantenhormoon ‘ethyleen’ aan. Door ethyleen krijgen de vruchten hun typische kleur, smaak, textuur en aroma’s. Ethyleen is dus onvoorwaardelijk gekoppeld met de kwaliteit van de vruchten. Om de ethyleenproductie te voorspellen vanuit cel- en genniveau moeten de verschillende biologische niveaus met mekaar gekoppeld worden, niet zomaar een koud kunstje!

Systeembiologische aanpak

In 2008 is de onderzoeksgroep Naoogsttechnologie aan de afdeling Mechatronica, Biostatstiek en Sensoren (MeBioS, Kuleuven) gestart om het ethyleenmetabolisme van tomaat in detail te bestuderen. Er werd gekozen voor een systeembiologische aanpak. Een plant of vrucht kan je bekijken op verschillende schaalniveaus: startende van de kleinere genen en moleculen, via de grotere cellen en weefsels tot op vruchtniveau. In de systeembiologie worden de verschillende niveaus aan elkaar gekoppeld. De ethyleenproductie is het resultaat van een complex onderliggend biochemisch netwerk. In dit onderzoek zullen de verschillende biologische niveaus van de ethyleenproductie van tomaten, zoals metabolieten, eiwitten en genen in kaart worden gebracht. Het spreekt voor zich dat deze aanpak de kennis van een divers pakket aan technieken vergt om zowel informatie op genetisch, eiwit- en metabolisch vlak te bekomen. Drie verschillende onderzoeksdomeinen (genomics, proteomics en metabolimics) worden op deze manier verenigd in 1 domein wat een enorme evolutie betekent in de plantenwetenschap.

Meten van tomatenkwaliteit op vruchtniveau

In dit project werden tot dusver vruchten van verschillende fysiologische leeftijd onderzocht, gaande van kleine onrijpe vruchten, kort na de bloei, over volledig volgroeide groene vruchten tot en met rijpe rode vruchten. Zowel direct na de oogst als tijdens de bewaring volgden de onderzoekers (18°C, 80%RV) de kwaliteit van de vruchten op. De staalneming gebeurde in samenwerking met de proefstations voor de groenteteelt te Sint-Katelijne-Waver en het Proefcentrum Hoogstraten. De kwaliteitsmetingen (massa, kleur, hardheid en chlorofylfluorescentie) gebeurden op het VCBT (Vlaams Centrum voor Bewaring van Tuinbouwproducten). Om de relatie te leggen tussen deze kwaliteitsmetingen en de ethyleenproductie werden de vruchten gedurende 1 uur in een luchtdichte bokaal gebracht (Figuur 1), waaruit vervolgens een gasstaal genomen werd om het ethyleengehalte te kunnen meten via gaschromatografie. Figuur 2 toont aan dat tijdens de vruchtontwikkeling de massa toeneemt en dat tijdens de rijping de hardheid afneemt, wat gepaard gaat met het zachter worden van de vrucht. Daarnaast is ook zichtbaar dat de hoeveelheid chlorofyl snel wordt afgebroken tijdens de rijping waardoor de vrucht o.a. zijn groene kleur zal verliezen. De ethyleenproductie coördineert al deze processen. De productie komt op gang tijdens de rijping en daalt terug tijdens de bewaring van de vruchten (Figuur 2).


Figuur 1: Ethyleenbepalingen van tomaten na 1 uur incubatie in luchtdichte bokaal.


Figuur 2: Evolutie van de massa, chlorofylfluorescentie, hardheid en ethyleenproductie tijdens de vruchtontwikkeling, -rijping en naoogstbewaring

Analyses op biochemisch niveau

Om dieper in te gaan op de onderliggende biochemie van het ethyleenproductie werden tussen- en gevormd uit ACC (1-aminocyclopropaan-1-carboxylzuur), wat op zijn beurt weer gevormd wordt uit SAM (s-adenosyl-L-methionine). SAM wordt aangemaakt vertrekkende van het aminozuur methionine (Met). Het laboratorium ontwikkelde nauwkeurige analytische technieken (zoals gaschromatografie, capillaire electroforese en GC-massaspectrometrie) om deze verschillende metabolieten te kunnen meten.
Daarnaast werd ook de enzymactiviteit bepaald van de twee belangrijkste eiwitten die betrokken zijn bij het ethyleenmetabolisme, nl. ACC-oxidase en ACC-synthase. M.a.w hoe snel kunnen deze eiwitten reageren met andere stoffen. Deze activiteit werd vervolgens gekoppeld aan de concentraties van hun substraten/producten (ACC, SAM en Met), die eerder werden opgemeten, en uiteindelijk aan de totale ethyleenproductie van de vruchten.


Figuur 3: Vergelijkende studie van ACC-oxidase: enzymactiviteit, eiwitniveaus en genexpressie tijdens de vruchtontwikkeling, -rijping en naoogstbewaring.

Analyses op moleculair niveau

In dit deel van het onderzoek bevinden we ons al op gen- en DNA-niveau, de kleinste regionen van planten en vruchten. Bij het aflezen van DNA ontstaan eiwitten die in cellen allerhande interacties met elkaar aangaan (genexpressie). Dit proces werd bekeken voor de twee belangrijkste eiwitten, ACC-oxidase en ACC-synthase via kwantitatieve real-time PCR en western-blotting.
Zo is intussen al duidelijk geworden dat de totale ethyleenproductie van vruchten tijdens de bewaring zeer laag is, in tegenstelling tot de expressie en het eiwitgehalte van het ethyleenproducerende eiwit ACC-oxidase (Figuur 3). Deze tegenstelling wordt mogelijks verklaard omdat het eiwit ACC-oxidase, van vorm verandert (isovorm) tijdens de rijping en bewaring. Tijdens het verdere verloop van het onderzoeksproject zal er dieper worden ingegaan op dit naoogstverschijnsel.

Ethyleenproductie voorspellen

Ultiem zal met de resultaten van de verschillende schaalniveaus een wiskundig model gebouwd worden om de ethyleenproductie van tomaat te kunnen voorspellen. Dit model biedt grote perspectieven in de praktijk om bijvoorbeeld nieuwe rassen te karakteriseren en de ethyleenproductie te linken met vruchtkwaliteit en bewaarpotentieel. Een toekomst om naar uit te kijken!

Nuttige links