plante himerice-cel mai bun din ambele lumi

cipurile de ou Himeric & (fotografia din stânga) și plantele TomTato (fotografia din dreapta) sunt grefe care implică specii strâns legate. Alte himere pot fi posibile dacă altoirea poate fi aplicată mai general.

foto: THOMPSON & MORGAN

tăierea lăstarului unei plante (scionul) și alăturarea sau altoirea la alta (portaltoiul) a fost o practică a cultivatorilor de milenii. Organismele himerice rezultate au permis propagarea fructelor și legumelor cu caracteristicile dorite, controlul mărimii copacilor pentru a facilita recoltele de fructe și conservarea descendenților de soi de vin de elită pe portaltoi rezistenți la filoxera, o insectă distructivă. Majoritatea speciilor de plante se vor altoi singure, unele la specii strâns legate, dar rareori plantele vor GREFA cu succes la rude mai îndepărtate (1). La pagina 698 a acestui număr, Notaguchi și colab. (2) identificarea unei activități enzimatice cheie care promovează stabilirea grefelor între planta de tutun Nicotiana benthamiana și o gamă largă de specii. Ei demonstrează că două specii incompatibile pot fi altoite folosind țesut din N. benthamiana ca interscion. Acest lucru ar putea extinde substanțial combinațiile de specii cu care este posibil să se genereze himere.

compatibilitatea dintre două specii depinde de stabilirea unei uniuni de grefă reușite la limitele tăiate și de supraviețuirea extinsă a plantei compuse, altoite. Spre deosebire de alte interacțiuni compatibile-incompatibile, cum ar fi recunoașterea polenului ca sine sau nu-Sine de către organele florale feminine, nu există încă dovezi pentru un mecanism specific de recunoaștere între componentele grefei. Este esențial, totuși, ca celulele de la suprafețele tăiate să înceapă să adere unele la altele, ca celulele de la graniță să se dividă și să crească și ca vasculatura, necesară pentru transportul apei, nutrienților și moleculelor de semnalizare pe distanțe lungi de la rădăcini la părțile aeriene ale plantei, să fie reconectată (1). Notaguchi și colab. implică o celulază specifică în promovarea aderenței celulă-celulă. Cum celulaza ar putea facilita acest proces fiziologic este o întrebare rămasă.

Celulazele acționează pentru a digera celuloza, componenta principală a pereților celulari ai plantelor (3), iar acest lucru ar putea permite remodelarea și fuziunea microfibrilelor de celuloză între pereții celulari ai vasculaturii sau alte tipuri de celule între scion și portaltoi. O altă posibilitate este că degradarea celulozei declanșează mecanisme de supraveghere a integrității peretelui celular, promovând astfel biosinteza peretelui celular (3). Deși pereții celulari ai diferitelor specii de plante pot avea compoziții foarte diferite (3), celuloza este întotdeauna o componentă, ceea ce ar putea explica de ce o activitate enzimatică care vizează celuloza ca substrat pare să faciliteze compatibilitatea între speciile îndepărtate taxonomic.

capacitatea de a face grefe între plante din aceeași specie a deschis domeniul semnalizării pe distanțe lungi în cercetarea plantelor, deoarece proteinele mobile, ARN-urile mesager (ARNm) și ARN-urile mici au fost identificate ca molecule de semnalizare (1). Originar din portaltoi, hormonul vegetal florigen a fost identificat ca un factor care promovează înflorirea și strigolactona ca hormon vegetal care promovează ramificarea. Mecanismul prin care ARN-ul se răspândește sistemic a fost elucidat cu grefe (1). Grefele permit, de asemenea, studiul interacțiunilor pe tot parcursul vieții între genomii diferitelor specii de plante, modul în care arhitectura sistemelor radiculare poate afecta vigoarea și sănătatea plantelor și proiectarea de noi specii de culturi. Exemple de succes comercial din grefe includ TomTato, o plantă care produce atât cartofi din rădăcină, cât și roșii deasupra solului și chipsuri de ou &, un altoi de vinete pe un portaltoi de cartofi (4) (Vezi fotografiile). Roșiile, vinetele și cartofii, împreună cu tutunul, aparțin aceleiași familii, Solanaceae, și astfel sunt în mod natural susceptibile de altoire.

Notaguchi și colab. demonstrați că N. benthamiana scions sau portaltoi pot grefa la soia și crizantemele îndepărtate filogenetic, precum și reprezentanți din 38 de familii de plante cu flori (angiosperme). Prin extinderea combinațiilor de specii care pot fi utilizate ca urmași și portaltoi, tehnologia de altoire ar putea produce himere între rude îndepărtate care contribuie la o amprentă agricolă mai durabilă și contribuie la conservarea biodiversității.

factorii de stres biotici și abiotici multipli cresc odată cu schimbările climatice, ceea ce exacerbează decalajul de randament, diferența dintre randamentul teoretic și cel real, pentru multe culturi Agronomice și legumicole. Portaltoii rezistenți la secetă sau la agenți patogeni sau toleranți la sare, fie în mod natural, fie prin inginerie genetică, ar putea extinde gama în creștere a soiurilor dorite. Abilitatea de a altoi într-o gamă largă de eudicots (una dintre cele două clase de plante cu flori) oferă un instrument pentru a compila trăsăturile de toleranță între specii: astfel de trăsături sunt multigenice și, prin urmare, nu sunt ușor de abordat prin ingineria unuia sau a câtorva transgene. Diferențele genetice în ceea ce privește rezistența speciilor de arbori la stresul apei sau al temperaturii vor face ca unele specii să fie deosebit de vulnerabile pe scara de timp anticipată a schimbărilor climatice (5). Portaltoii robusti ar putea fi utilizați pentru conservarea speciilor cu risc într-un interval de timp mai scurt decât ar putea realiza programele de reproducere.

fotografie: THOMPSON& MORGAN

familiaritatea și ușurința, împreună cu automatizarea procesului pentru speciile compatibile, au făcut din acceptarea cultivatorului de tehnologie de altoire o strategie atractivă pentru creșterea randamentelor și a calității produselor și pentru cultivarea fructelor și legumelor în medii noi. Altoirea este, de asemenea, o tehnică de propagare asexuată, vegetativă, care ar putea eluda restricțiile actuale pentru organismele modificate genetic (OMG) (6). De exemplu, altoirea pe portaltoi modificați genetic pentru a depăși susceptibilitatea la boli transmise de sol a unui soi de altoi ar putea depăși obstacolele de reglementare, deoarece fructele rezistente la boli nu au fost ele însele modificate genetic (7). Portaltoiul ar putea fi modificat pentru a produce ARN-uri mici care se răspândesc sistemic pentru a reduce la tăcere expresia genelor în altoi, modificând astfel indirect caracteristicile părților aeriene ale plantei (6). În mod similar, descendenții modificați genetic ar putea spori productivitatea soiurilor convenționale de culturi de rădăcini sau tuberculi, cum ar fi cartoful și manioca. Astfel de plante transgraftate au potențialul de a răspunde preocupărilor legate de fluxul transgenic sau de scăparea de produse transgenice (8).

o problemă tehnică esențială rămasă este eșecul altoirii speciilor monocotiledonate (cealaltă clasă de plante cu flori în afară de eudicote). Grâul, orezul și porumbul furnizează două treimi din caloriile umane globale (9). Vasculatura acestor și a altor monocoti diferă de cele ale tuturor celorlalte plante cu flori, iar grefele dintre monocoti și eudicoti pot eșua din cauza incompatibilităților anatomice în reconectarea floemului și a vasculaturii xilemului. Planta parazitară Striga este un eudicot care invadează cu succes și se conectează la vasculatura orezului. Prin urmare, elucidarea mecanismelor naturale ale parazitismului poate oferi informații utile (1). Cu toate acestea, scionii monocot nu reușesc, de asemenea, să grefeze cu succes la portaltoi monocot. Înțelegerea și depășirea acestei limitări este importantă pentru a proteja viitoarea securitate alimentară globală.

plantele se întind pe două lumi, cu rădăcinile lor într-o lume a pământului și a apei și părțile lor aeriene într-o lume a aerului și a luminii. În Antropocenul actual, o tehnică antică, informată de o nouă înțelegere mecanicistă, poate ajuta plantele și oamenii să facă tot ce este mai bun din ambele lumi.