Thidiazuron delays postharvest kiwifruit softening with temporal shifts in ethylene, starch and cell-wall programmes

Die Reifung von Früchten ist ein biologischer Countdown, der in dem Moment beginnt, in dem die Frucht geerntet wird. Bei der Kiwanu-Frucht (Kiwifrucht) ist dieser Countdown berüchtigt schnell. Sobald sie geerntet wurde, durchläuft die Frucht eine rasante Transformation, bei der ihr festes Fruchtfleisch weich wird, ihre Stärke zu Zucker wird und ihre herbe Säure verblasst. Dieser Prozess wird durch ein natürliches Pflanzenhormon namens Ethylen angetrieben, das als chemisches Signal fungiert, das der Frucht mitteilt, dass sie reifen soll. Während diese Erweichung die Frucht süß und essbereit macht, macht sie sie auch zerbrechlich und kurzlebig, was eine große Herausforderung für Landwirte und Erzeuger darstellt, die die Frucht transportieren und lagern müssen, ohne dass sie zu Matsch wird. Wissenschaftler wissen schon lange, dass sie die Haltbarkeit der Frucht verlängern können, wenn sie in der Lage sind, diese chemische Signalisierung oder die strukturellen Veränderungen in den Zellwänden der Frucht zu verlangsamen, aber das präzise Timing, wie verschiedene Behandlungen diese internen Veränderungen beeinflussen, blieb ein Rätsel.

Forscher der Nanchang Normal University und der Jiangxi Academy of Sciences machten sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem sie ein synthetisches Pflanzenregulator namens Thidiazuron, oder TDZ, an frischen Kiwifrüchten testeten. Sie behandelten die Frucht mit einer spezifischen Konzentration dieser Chemikalie und beobachteten dann, wie sie sich im Vergleich zu unbehandelten Früchten im Laufe der Zeit veränderte. Das Ziel war nicht nur zu sehen, ob die Frucht fest blieb, sondern den exakten Moment zu verstehen, in dem die chemische Behandlung begann, die internen Anweisungen der Frucht zu verändern. Durch die Messung der Festigkeit, Säure und chemischen Zusammensetzung der Frucht zusammen mit einer detaillierten Ablesung ihrer genetischen Aktivität entdeckte das Team, dass die Behandlung den Reifeprozess nicht einfach stoppte; stattdessen verschob sie die gesamte Zeitlinie der Reifungsereignisse weiter in die Zukunft und verschaffte der Frucht effektiv mehr Zeit, bevor sie weich wurde.

Das Experiment begann mit einem einfachen physischen Test. Die Forscher tauchten geerntete Kiwifrüchte in eine Lösung getaucht, die 600 Milligramm TDZ pro Liter Wasser enthielt, während eine Kontrollgruppe in reinem Wasser getaucht wurde. Sie lagerten beide Gruppen bei einer konstanten Raumtemperatur und überprüften sie in regelmäßigen Abständen über zwanzig Tage hinweg. Die Ergebnisse waren bemerkenswert. Nach zwanzig Tagen war die unbehandelte Frucht so weich geworden, dass sie kaum noch fest war und nur noch 3,78 Newton Kraft maß – der Punkt, an dem die Frucht als überreif gilt und sofort verzehrt werden sollte. Im Gegensatz dazu blieb die behandelte Frucht fest bei 27,72 Newton, einem Härtegrad, der es ermöglichen würde, die Frucht viel länger zu lagern und zu versenden. Über das bloße Gefühl der Härte hinaus behielt die behandelte Frucht auch ihren herben Geschmack, ihren Stärkegehalt und die strukturellen Bestandteile ihrer Zellwände, welche die mikroskopischen Bausteine sind, die der Frucht ihre Form geben.

Um zu verstehen, warum dies geschah, blickten die Wissenschaftler auf der Ebene ihrer Gene in das Innere der Frucht. Sie sammelten Proben von der Frucht zu verschiedenen Zeiten und sequenzierten die RNA, das Molekül, das die Anweisungen der DNA an den Rest der Zelle überträgt. Dies ermöglichte es ihnen zu sehen, welche Gene in jeder Phase des Reifeprozesses aktiviert oder deaktiviert wurden. Sie fanden heraus, dass die behandelte Frucht und die unbehandelte Frucht bereits vier bis acht Tage nach der Ernte begannen, in ihren genetischen Anweisungen zu divergieren, aber die Unterschiede wurden zwischen zwölf und zwanzig Tagen sehr deutlich. Die unbehandelte Frucht folgte einem vorhersehbaren Pfad, auf dem Gene, die für den Abbau von Stärke und die Erweichung der Zellwände verantwortlich sind, aggressiv eingeschaltet wurden. Die behandelte Fruкт hielt diese Gene jedoch viel länger ausgeschaltet.

Die Studie identifizierte zwölf spezifische Gene, die eine zentrale Rolle bei dieser Verzögerung spielten. Diese Gene fielen in drei Hauptkategorien: solche, die die Produktion von Ethylen steuern, solche, die den Abbau von Stärke und Zucker managen, und jene, die die Zellwand umbauen. In der unbehandelten Frucht waren die Gene, die Ethylen produzieren und Stärke abbauen, während des kritischen Fensters von zwölf bis zwanzig Tagen hochaktiv. In der behandelten Frucht waren dieselben Gene signifikant weniger aktiv. Zum Beispiel wurden die Gene, die für die Herstellung des Enzyms verantwortlich sind, das Pektin abbaut – eine Substanz, die wie Kleber wirkt, der die Zellwände zusammenhält – in einem niedrigen Zustand gehalten. Dies bedeutete, dass die Zellwände intakt blieben und die Frucht fest blieb. Interessanterweise fanden die Forscher auch, dass einige Gene, die mit der internen Struktur der Frucht zusammenhängen, im späteren Verlauf der Lagerzeit eine erhöhte Aktivität zeigten, was darauf hindeutet, dass die Behandlung die Frucht nicht in der Zeit einfroren, sondern vielmehr den gesamten Zeitplan der Ereignisse verschob.

Die Forscher bestätigten, dass ihre Erkenntnisse nicht einzigartig für diese spezifische Chemikalie waren, indem sie ihre Ergebnisse mit Daten aus anderen Studien verglichen, die Ethylen und eine Substanz, die Ethylen blockiert, beinhalteten. Sie fanden heraus, dass dieselben zwölf Gene auf eine ähnliche Weise reagierten, wenn die Frucht diesen verschiedenen Behandlungen ausgesetzt war, was die Idee untermauerte, dass diese Gene die entscheidenden Schalter für den Reifeprozess sind. Die Studie legt nahe, dass Thidiazuron dadurch wirkt, dass es die Aktivierung dieser Schalter verzögert und so eine „temporale Verschiebung“ erzeugt, bei der das Reifungsprogramm der Frucht nach hinten verschoben wird. Diese Verzögerung ermöglicht es der Frucht, ihre Festigkeit, Säure und Stärke über einen längeren Zeitraum zu bewahren, was ihr kommerzielles Leben effektiv verlängert.

Diese Forschung liefert eine klare Karte darüber, wie eine chemische Behandlung die biologische Uhr einer Frucht verändern kann. Indem sie die exakten Gene und die spezifischen Zeiten identifizierten, zu denen sie sich ändern, sind die Wissenschaftler über das bloße Beobachten hinausgegangen, dass die Frucht fest bleibt. Sie haben gezeigt, dass die Behandlung eine koordinierte Verzögerung im gesamten System der Frucht bewirkt, von der Produktion der Reifungshormone bis hin zum Abbau ihrer internen Struktur. Dieses Verständnis bietet eine neue Art, über das Postharvest-Management (Nachernte-Management) nachzudenken, und legt nahe, dass der Schlüssel zur Bewahrung der Fruchtqualität darin liegt, das Timing dieser genetischen Anweisungen zu steuern, anstatt lediglich zu versuchen, sie vollständig zu stoppen. Die Ergebnisse deuten auf eine Zukunft hin, in der Früchte über längere Zeiträume gelagert werden können, ohne an Textur und Geschmack zu verlieren, indem einfach das Timing ihres natürlichen Reifungszyklus verschoben wird.