Kimære planter-det beste fra begge verdener

Kimære Egg & Chips (venstre bilde) og TomTato (høyre bilde) planter er grafts som involverer nært beslektede arter. Andre kimærer kan være mulig hvis podning kan brukes mer generelt.

FOTO: THOMPSON & MORGAN

kutting av skudd av en plante (scion) og sammenføyning, eller podning, til en annen (grunnstammen) har vært en praksis av produsenter i årtusener. De resulterende kimære organismer har aktivert forplantning av frukt og grønnsaker med ønskede egenskaper, kontroll av tre størrelse for å lette frukt avlinger, og bevaring av elite vin sorten scions på grunnstammer motstandsdyktig mot phylloxera, en destruktiv insekt. De fleste plantearter vil pode til seg selv, noen til nært beslektede arter, men sjelden vil planter lykkes pode til fjernere slektninger (1). På side 698 i dette problemet, Notaguchi et al. (2) identifisere en nøkkel enzymatisk aktivitet som fremmer etablering av grafts mellom tobakk anlegget Nicotiana benthamiana og et bredt spekter av arter. De viser at to inkompatible arter kan podes ved hjelp av vev Fra N. benthamiana som interscion. Dette kan vesentlig utvide kombinasjonene av arter som det er mulig å generere kimærer.

Kompatibilitet mellom to arter avhenger av etablering av en vellykket graftunion ved kuttgrensene og den utvidede overlevelse av kompositt, podet plante. I motsetning til andre kompatible-inkompatible interaksjoner, for eksempel anerkjennelse av pollen som selv eller ikke-selv av kvinnelige blomsterorganer, er det ennå ikke noe bevis for en bestemt gjenkjenningsmekanisme mellom graftkomponenter. Det er imidlertid kritisk at cellene på kuttflatene begynner å feste seg til hverandre, at cellene ved grensen deler seg og vokser, og at vaskulaturen, som kreves for transport av vann, næringsstoffer og langdistanse signalmolekyler fra røttene til anleggets antennedeler, kobles til igjen (1). Notaguchi et al. implisere en bestemt cellulase i å fremme celle-celle adhesjon. Hvordan cellulase kan lette denne fysiologiske prosessen er et gjenværende spørsmål.

Cellulaser virker for å fordøye cellulose, den viktigste stillaskomponenten i plantecellevegger (3), og dette kan muliggjøre remodeling og fusjon av cellulosemikrofibriller mellom cellevegger i vaskulaturen eller andre celletyper mellom scion og grunnstammen. En annen mulighet er at celluloseforringelse utløser overvåkningsmekanismer for celleveggintegritet, og derved fremmer celleveggbiosyntese (3). Selv om cellevegger av forskjellige plantearter kan ha svært forskjellige sammensetninger (3), er cellulose alltid en komponent, noe som kan forklare hvorfor en enzymaktivitet rettet mot cellulose som substrat ser ut til å lette kompatibiliteten mellom taksonomisk fjerne arter.

evnen til å lage grafter mellom planter av samme art åpnet feltet for langdistansesignalering i planteforskning, fordi mobile proteiner, messenger Rna (mrna) og små Rna ble identifisert som signalmolekyler (1). Opprinnelse i grunnstammer ble plantehormonet florigen identifisert som en faktor som fremmer blomstring og strigolakton som et plantehormon som fremmer forgrening. Mekanismen SOM RNA silencing sprer seg systematisk ble belyst med grafts (1). Grafts også muliggjøre studiet av livslang samhandling mellom genomer av ulike plantearter, hvordan arkitekturen av rotsystemer kan påvirke plante vigor og helse,og utformingen av nye avlinger. Eksempler på kommersiell suksess fra grafts inkluderer TomTato, en plante som produserer både poteter fra roten og tomater over bakken, Og Egg & Chips, en aubergine scion på en potetstamme (4) (se bildene). Tomater, eggplanter og poteter, sammen med tobakk, tilhører samme familie, Solanaceae, og dermed er de naturlig egnet til podning.

Notaguchi et al. demonstrere At n. benthamiana scions eller grunnstammer kan pode til fylogenetisk fjerne soyabønner og krysantemum, samt representanter fra 38 blomstrende plante (angiosperm) familier. Ved å utvide kombinasjonene av arter som kan brukes som scions og grunnstammer, kan podningsteknologi produsere kimærer mellom fjerne slektninger som bidrar til et mer bærekraftig landbruksavtrykk og bidrar til å bevare biologisk mangfold.

Flere biotiske og abiotiske stressorer øker med klimaendringer, noe som forverrer avkastningsgapet, forskjellen mellom teoretisk og faktisk utbytte, for mange agronomiske og vegetabilske avlinger. Tørke – eller patogenresistente eller salttolerante grunnstammer, enten naturlig eller genetisk konstruert, kan utvide det voksende spekteret av ønskede kultivarer. Evnen til å pode over et bredt spekter av eudikoter (en av de to klassene av blomstrende planter) gir et verktøy for å kompilere toleranseegenskaper på tvers av arter: Slike egenskaper er multigene og derfor ikke lett adressert ved å konstruere en eller noen få transgener. Genetiske forskjeller i trærnes motstandsdyktighet mot vann-eller temperaturspenning vil gjøre noen arter spesielt sårbare på den forventede tidsskalaen for klimaendringer (5). Robuste grunnstammer kan brukes til å bevare utsatte arter innenfor en kortere tidsramme enn avlsprogrammer kunne oppnå.

BILDE: THOMPSON & MORGAN

Kjennskap og letthet, sammen med automatisering av prosessen for kompatible arter, har gjort grower aksept av pode teknologi en attraktiv strategi for å øke utbyttet og produktkvalitet, og å dyrke frukt og grønnsaker i nye miljøer. Grafting er også en aseksuell, vegetativ forplantningsteknikk som kan omgå dagens restriksjoner for genetisk modifiserte organismer (Gmo) (6). For eksempel kan podning på genmodifiserte grunnstammer for å overvinne jordbåren sykdomsfølsomhet hos en scion-kultivar overvinne regulatoriske hindringer fordi de sykdomsresistente fruktene ikke selv er blitt genetisk modifiserte (7). Grunnstammen kan modifiseres for å produsere små Rna som sprer seg systematisk for å stille genuttrykk i scion, og dermed indirekte modifisere egenskapene til anleggets antennedeler (6). På samme måte kan genetisk utviklede scions øke produktiviteten til konvensjonelle kultivarer av rot-eller tuberavlinger som potet og kassava. Slike transgod planter har potensial til å ta opp bekymringer om transgen flyt eller rømning av transgene produkter (8).

en viktig gjenværende teknisk problem er svikt i pode for monocotyledonous arter (den andre klassen av blomstrende planter foruten eudicots). Hvete, ris og mais gir to tredjedeler av globale menneskelige kalorier (9). Den vaskulatur av disse og andre monocots skiller seg fra de av alle andre blomstrende planter, og grafts mellom monocots og eudicots kan mislykkes på grunn av anatomiske inkompatibilitet i å koble phloem og xylem vaskulatur. Den parasittiske planten Striga er en eudicot som vellykket invaderer og knytter seg til vaskulaturen av ris. Derfor kan det å belyse naturlige mekanismer for parasittisme gi nyttig innsikt (1). Imidlertid mislykkes monocot scions også å pode vellykket til monocot grunnstammer. Å forstå og overvinne denne begrensningen er viktig for å beskytte fremtidig global matsikkerhet.

Planter strekker seg over to verdener, med sine røtter i en verden av jord og vann og deres luftdeler i en verden av luft og lys. I Dagens Antropocen kan en gammel teknikk, informert av ny mekanistisk forståelse, hjelpe planter og mennesker til å gjøre det beste ut av begge verdener.