chimeric plants-the best of both worlds

chimeric Egg & Chips (lewe zdjęcie) i TomTato (prawe zdjęcie) to szczepy obejmujące blisko spokrewnione gatunki. Inne Chimery mogą być możliwe, jeśli szczepienie może być stosowane bardziej ogólnie.

zdjęcie: THOMPSON & MORGAN

cięcie pędu jednej rośliny (scion) i łączenie lub szczepienie innej (podkładki) jest praktyką hodowców od tysiącleci. Powstałe organizmy chimeryczne umożliwiły rozmnażanie owoców i warzyw o pożądanych właściwościach, kontrolę wielkości drzew w celu ułatwienia zbiorów owoców i zachowanie elitarnych kultywarów winnych na podkładkach odpornych na filokserę, niszczycielskiego owada. Większość gatunków roślin przeszczepi do siebie, niektóre do blisko spokrewnionych gatunków, ale rzadko rośliny z powodzeniem przeszczepia do bardziej odległych krewnych (1). Na stronie 698 tego wydania, Notaguchi et al. (2) określenie kluczowej aktywności enzymatycznej, która sprzyja zakładaniu przeszczepów między rośliną tytoniową Nicotiana benthamiana A szeroką gamą gatunków. Wykazują one, że dwa niezgodne gatunki mogą być szczepione przy użyciu tkanki z N. benthamiana jako interscion. Może to znacznie rozszerzyć kombinacje gatunków, z którymi możliwe jest generowanie chimer.

zgodność między dwoma gatunkami zależy od ustanowienia udanej Unii przeszczepów na granicy cięcia i przedłużonego przeżycia złożonej, zaszczepionej rośliny. W przeciwieństwie do innych zgodnych-niekompatybilnych interakcji, takich jak rozpoznawanie pyłku jako jaźń lub nie-ja przez żeńskie narządy kwiatowe, nie ma jeszcze dowodów na specyficzny mechanizm rozpoznawania między elementami przeszczepu. Ważne jest jednak, aby komórki na ciętych powierzchniach zaczęły przylegać do siebie, aby komórki na granicy dzieliły się i rosły, oraz aby naczynie, wymagane do transportu wody, składników odżywczych i cząsteczek sygnalizacyjnych na duże odległości od korzeni do nadziemnych części rośliny, zostało ponownie połączone (1). Notaguchi et al. implikować specyficzną celulazę w promowaniu adhezji komórek. Pozostaje pytanie, w jaki sposób celulaza może ułatwić ten fizjologiczny proces.

celulazy działają w celu trawienia celulozy, głównego składnika rusztowania ścian komórkowych roślin (3), co może umożliwić przebudowę i fuzję mikrofibryli celulozy między ścianami komórkowymi naczyń lub innymi typami komórek między ścianą a podkładką. Inną możliwością jest to, że degradacja celulozy uruchamia mechanizmy nadzoru integralności ściany komórkowej, promując w ten sposób biosyntezę ściany komórkowej (3). Chociaż ściany komórkowe różnych gatunków roślin mogą mieć bardzo różny skład (3), celuloza jest zawsze składnikiem, co może wyjaśniać, dlaczego aktywność enzymu ukierunkowana na celulozę jako jej substrat wydaje się ułatwiać zgodność między taksonomicznie odległymi gatunkami.

zdolność do wykonywania przeszczepów między roślinami tego samego gatunku otworzyła pole sygnalizacji dalekosiężnej w badaniach roślin, ponieważ mobilne białka, RNA przekaźnikowe (mRNA) i małe RNA zostały zidentyfikowane jako cząsteczki sygnalizacyjne (1). Pochodzący z podkładek hormon roślinny florigen został zidentyfikowany jako czynnik promujący kwitnienie, a strigolakton jako hormon roślinny promujący rozgałęzienia. Mechanizm systematycznego rozprzestrzeniania się wyciszania RNA został wyjaśniony za pomocą przeszczepów (1). Przeszczepy umożliwiają również badanie interakcji między genomami różnych gatunków roślin przez całe życie, w jaki sposób Architektura systemów korzeniowych może wpływać na wigor i zdrowie roślin oraz projektowanie nowych gatunków roślin uprawnych. Przykłady komercyjnego sukcesu szczepień obejmują TomTato, roślinę produkującą zarówno ziemniaki z korzenia, jak i pomidory nad ziemią, oraz chipsy jajeczne &, scion z bakłażana na podkładce ziemniaka (4) (patrz zdjęcia). Pomidory, bakłażany i ziemniaki wraz z tytoniem należą do tej samej rodziny Solanaceae, a zatem są naturalnie podatne na szczepienie.

wykazanie, że n. benthamiana scions lub rootstocks mogą przeszczepiać do odległych filogenetycznie soi i chryzantemów, a także przedstawicieli z 38 rodzin roślin kwitnących (angiosperm). Rozszerzając kombinacje gatunków, które mogą być używane jako scjony i podkładki, technologia szczepienia może produkować Chimery między odległymi krewnymi, które przyczyniają się do bardziej zrównoważonego śladu rolniczego i pomagają zachować bioróżnorodność.

wiele stresorów biotycznych i abiotycznych rośnie wraz ze zmianą klimatu, co pogłębia lukę plonową, różnicę między teoretycznym a faktycznym plonem dla wielu upraw agronomicznych i warzywnych. Podkładki odporne na suszę lub patogeny lub odporne na sól, naturalnie lub genetycznie, mogą rozszerzyć rosnącą gamę pożądanych odmian. Zdolność do przeszczepu w szerokim zakresie eudicots (jedna z dwóch klas roślin kwitnących) zapewnia narzędzie do kompilacji cech tolerancji w różnych gatunkach: takie cechy są wielopokoleniowe i dlatego niełatwo jest im zaradzić przez inżynierię jednego lub kilku transgenów. Różnice genetyczne w odporności gatunków drzew na stres wodny lub temperaturowy sprawią, że niektóre gatunki będą szczególnie narażone w przewidywanej skali czasowej zmian klimatu (5). Wytrzymałe podkładki mogłyby zostać wykorzystane do zachowania gatunków zagrożonych w krótszym czasie niż programy hodowlane.

zdjęcie: THOMPSON & MORGAN

znajomość i łatwość w połączeniu z automatyzacją procesu dla kompatybilnych gatunków sprawiły, że akceptacja technologii szczepienia przez hodowców stała się atrakcyjną strategią zwiększania plonów i jakości produktów oraz uprawy owoców i warzyw w nowych środowiskach. Szczepienie jest również bezpłciową techniką rozmnażania wegetatywnego, która może obejść obecne ograniczenia dla organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO) (6). Na przykład szczepienie na genetycznie zmodyfikowanych podkładkach w celu przezwyciężenia podatności odmiany scion na choroby przenoszone przez glebę może pokonać przeszkody regulacyjne, ponieważ owoce odporne na choroby same w sobie nie zostały zmodyfikowane genetycznie (7). Podkładki można modyfikować w celu wytworzenia małych RNA, które rozprzestrzeniają się systemowo w celu wyciszenia ekspresji genów w scionie, pośrednio modyfikując w ten sposób właściwości nadziemnych części rośliny (6). Podobnie, genetycznie zmodyfikowane scjony mogą zwiększyć produktywność konwencjonalnych kultywarów upraw korzeniowych lub bulwowych, takich jak ziemniaki i maniok. Takie transgraftowane rośliny mają potencjał, aby rozwiązać obawy dotyczące przepływu transgenu lub ucieczki produktów transgenicznych (8).

kluczowym pozostałym problemem technicznym jest niepowodzenie szczepienia dla gatunków jednoliściennych (druga klasa roślin kwitnących oprócz eudykotów). Pszenica, ryż i kukurydza dostarczają dwie trzecie globalnych kalorii człowieka (9). Unaczynienie tych i innych monokotów różni się od wszystkich innych roślin kwitnących, a przeszczepy między monokotami i eudykotami mogą się nie powieść ze względu na anatomiczne niezgodności w ponownym połączeniu unaczynienia floema i ksylema. Pasożytnicza roślina Striga to eudicot, który z powodzeniem atakuje i łączy się z unaczynieniem ryżu. Dlatego Wyjaśnienie naturalnych mechanizmów pasożytnictwa może dostarczyć użytecznych spostrzeżeń (1). Jednak scjony monocot również nie przeszczepiają się pomyślnie do podkładek monocot. Zrozumienie i przezwyciężenie tego ograniczenia jest ważne dla ochrony przyszłego globalnego bezpieczeństwa żywnościowego.

rośliny przecinają dwa światy, z ich korzeniami w świecie ziemi i wody, a ich części powietrzne w świecie powietrza i światła. W obecnym Antropocenie starożytna technika, oparta na nowym mechanistycznym zrozumieniu, może pomóc roślinom i ludziom zrobić to, co najlepsze z obu światów.