Chimäre Pflanzen – das Beste aus beiden Welten

Chimäre Ei & Chips (linkes Foto) und TomTato (rechtes Foto) Pflanzen sind Transplantate mit eng verwandten Arten. Andere Chimären können möglich sein, wenn die Transplantation allgemeiner angewendet werden kann.

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Das Schneiden des Triebs einer Pflanze (des Sprosses) und das Verbinden oder Pfropfen mit einer anderen Pflanze (des Wurzelstocks) ist seit Jahrtausenden eine Praxis der Züchter. Die daraus resultierenden chimären Organismen haben die Vermehrung von Obst und Gemüse mit den gewünschten Eigenschaften, die Kontrolle der Baumgröße zur Erleichterung der Obsternte und die Konservierung von Elite-Weinkultur-Sprossen auf Unterlagen ermöglicht, die gegen Reblaus, ein zerstörerisches Insekt, resistent sind. Die meisten Pflanzenarten werden sich selbst verpflanzen, einige zu eng verwandten Arten, aber selten werden Pflanzen erfolgreich zu entfernteren Verwandten verpflanzen (1). Auf Seite 698 dieser Ausgabe, Notaguchi et al. (2) identifizierung einer wichtigen enzymatischen Aktivität, die die Etablierung von Transplantaten zwischen der Tabakpflanze Nicotiana benthamiana und einer breiten Palette von Arten fördert. Sie zeigen, dass zwei inkompatible Arten mit Gewebe aus N. benthamiana als Interscion transplantiert werden können. Dies könnte die Artenkombinationen, mit denen Chimären erzeugt werden können, erheblich erweitern.

Die Kompatibilität zwischen zwei Arten hängt von der Etablierung einer erfolgreichen Transplantatverbindung an den Schnittgrenzen und dem verlängerten Überleben der zusammengesetzten, gepfropften Pflanze ab. Im Gegensatz zu anderen kompatibel-inkompatiblen Wechselwirkungen, wie der Erkennung von Pollen als Selbst oder Nicht-Selbst durch weibliche Blütenorgane, gibt es noch keine Hinweise auf einen spezifischen Erkennungsmechanismus zwischen Transplantatkomponenten. Es ist jedoch entscheidend, dass die Zellen an den Schnittflächen beginnen, aneinander zu haften, dass sich die Zellen an der Grenze teilen und wachsen und dass das Gefäßsystem, das für den Transport von Wasser, Nährstoffen und Fernsignalmolekülen von den Wurzeln zu den oberirdischen Pflanzenteilen erforderlich ist, wieder verbunden wird (1). In: Notaguchi et al. implizieren Sie eine spezifische Cellulase bei der Förderung der Zell-Zell-Adhäsion. Wie Cellulase diesen physiologischen Prozess erleichtern könnte, ist eine verbleibende Frage.

Cellulasen verdauen Cellulose, die Hauptgerüstkomponente pflanzlicher Zellwände (3), und dies könnte die Umgestaltung und Fusion von Cellulose-Mikrofibrillen zwischen Zellwänden des Gefäßsystems oder anderen Zelltypen zwischen Spross und Wurzelstock ermöglichen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Zelluloseabbau Überwachungsmechanismen für die Integrität der Zellwand auslöst und dadurch die Zellwandbiosynthese fördert (3). Obwohl Zellwände verschiedener Pflanzenarten sehr unterschiedliche Zusammensetzungen haben können (3), ist Cellulose immer eine Komponente, was erklären könnte, warum eine Enzymaktivität, die auf Cellulose als Substrat abzielt, die Kompatibilität zwischen taxonomisch entfernten Arten zu erleichtern scheint.

Die Fähigkeit, Transplantate zwischen Pflanzen derselben Art herzustellen, eröffnete das Feld der Fernsignalisierung in der Pflanzenforschung, da mobile Proteine, Boten-RNAs (mRNAs) und kleine RNAs als Signalmoleküle identifiziert wurden (1). Ursprünglich aus Unterlagen stammend, wurde das Pflanzenhormon Florigen als blühfördernder Faktor und Strigolacton als verzweigungsförderndes Pflanzenhormon identifiziert. Der Mechanismus, durch den sich das RNA-Silencing systemisch ausbreitet, wurde mit Transplantaten aufgeklärt (1). Transplantate ermöglichen auch die Untersuchung lebenslanger Wechselwirkungen zwischen Genomen verschiedener Pflanzenarten, wie die Architektur von Wurzelsystemen die Vitalität und Gesundheit von Pflanzen beeinflussen kann, und das Design neuer Pflanzenarten. Beispiele für kommerziellen Erfolg von Transplantaten sind die TomTato, eine Pflanze, die sowohl Kartoffeln aus der Wurzel als auch Tomaten über dem Boden produziert, und Egg & Chips, ein Auberginen-Spross auf einem Kartoffelwurzelstock (4) (siehe die Fotos). Tomaten, Auberginen und Kartoffeln gehören zusammen mit Tabak zur selben Familie, den Solanaceae, und sind daher von Natur aus pfropfbar.

Notaguchi et al. zeigen Sie, dass N. benthamiana-Sprösslinge oder Unterlagen in phylogenetisch entfernte Sojabohnen und Chrysanthemen sowie Vertreter von 38 Blütenpflanzenfamilien (Angiospermen) transplantiert werden können. Durch die Erweiterung der Artenkombinationen, die als Sprösslinge und Unterlagen verwendet werden können, könnte die Pfropftechnologie Chimären zwischen entfernten Verwandten erzeugen, die zu einem nachhaltigeren landwirtschaftlichen Fußabdruck beitragen und zur Erhaltung der biologischen Vielfalt beitragen.

Mehrere biotische und abiotische Stressoren nehmen mit dem Klimawandel zu, was die Ertragslücke, den Unterschied zwischen theoretischem und tatsächlichem Ertrag, für viele agronomische und Gemüsekulturen verschärft. Dürre- oder pathogenresistente oder salztolerante Unterlagen, entweder natürlich oder gentechnisch verändert, könnten das Wachstumsspektrum der gewünschten Sorten erweitern. Die Fähigkeit, über eine breite Palette von Eudicots (eine der beiden Klassen von Blütenpflanzen) zu transplantieren, bietet ein Werkzeug, um Toleranzmerkmale über Arten hinweg zu kompilieren: Solche Merkmale sind multigen und daher nicht leicht durch Engineering eines oder einiger Transgene adressiert. Genetische Unterschiede in der Widerstandsfähigkeit von Baumarten gegenüber Wasser- oder Temperaturstress werden einige Arten auf der erwarteten Zeitskala des Klimawandels besonders anfällig machen (5). Robuste Unterlagen könnten verwendet werden, um gefährdete Arten innerhalb eines kürzeren Zeitrahmens zu erhalten, als es Zuchtprogramme erreichen könnten.

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Vertrautheit und Leichtigkeit, zusammen mit der Automatisierung des Prozesses für kompatible Arten, haben die Akzeptanz der Pfropftechnologie durch die Züchter zu einer attraktiven Strategie gemacht, um Erträge und Produktqualität zu steigern und Obst und Gemüse in neuen Umgebungen anzubauen. Pfropfen ist auch eine asexuelle, vegetative Vermehrungstechnik, die die derzeitigen Beschränkungen für gentechnisch veränderte Organismen (GVO) umgehen könnte (6). Zum Beispiel könnte die Pfropfung auf gentechnisch veränderte Unterlagen zur Überwindung der Anfälligkeit für Bodenkrankheiten einer Sprosssorte regulatorische Hürden überwinden, da die krankheitsresistenten Früchte selbst nicht gentechnisch verändert wurden (7). Der Wurzelstock könnte modifiziert werden, um kleine RNAs zu produzieren, die sich systemisch ausbreiten, um die Genexpression im Spross zum Schweigen zu bringen, wodurch indirekt die Eigenschaften der oberirdischen Pflanzenteile modifiziert werden (6). In ähnlicher Weise könnten gentechnisch veränderte Sprossen die Produktivität konventioneller Wurzel- oder Knollensorten wie Kartoffeln und Maniok steigern. Solche transplantierten Pflanzen haben das Potenzial, Bedenken hinsichtlich des Transgenflusses oder des Entweichens transgener Produkte auszuräumen (8).

Ein wichtiges verbleibendes technisches Problem ist das Versagen der Pfropfung für monokotyle Arten (die andere Klasse von Blütenpflanzen neben Eudicots). Weizen, Reis und Mais liefern zwei Drittel der globalen menschlichen Kalorien (9). Das Gefäßsystem dieser und anderer Monokotten unterscheidet sich von dem aller anderen Blütenpflanzen, und Transplantate zwischen Monokotten und Eudicots können aufgrund anatomischer Inkompatibilitäten bei der Wiederverbindung von Phloem- und Xylemvaskulatur versagen. Die parasitäre Pflanze Striga ist eine Eudikot, die erfolgreich in das Gefäßsystem von Reis eindringt und sich mit ihm verbindet. Daher kann die Aufklärung natürlicher Mechanismen des Parasitismus nützliche Erkenntnisse liefern (1). Monocot-Sprösslinge können jedoch auch nicht erfolgreich auf Monocot-Unterlagen transplantiert werden. Das Verständnis und die Überwindung dieser Einschränkung ist wichtig, um die zukünftige globale Ernährungssicherheit zu schützen.

Pflanzen überspannen zwei Welten, mit ihren Wurzeln in einer Welt aus Erde und Wasser und ihren oberirdischen Teilen in einer Welt aus Luft und Licht. Im gegenwärtigen Anthropozän kann eine alte Technik, die von einem neuen mechanistischen Verständnis geprägt ist, Pflanzen und Menschen helfen, das Beste aus beiden Welten zu machen.