Das Pfropfen ist eine Gartenbautechnik, die seit der Antike zur Vermehrung von Zier- und Obstbäumen eingesetzt wird und in den letzten Jahrzehnten auch auf den Gemüseanbau ausgeweitet wurde. Von zentraler Bedeutung für den Erfolg ist die Etablierung einer Transplantatvereinigung, die auf Wundheilung, Zelladhäsion und Gefäßverbindung beruht.
Im Allgemeinen weisen Pflanzen mit engen genetischen Verwandtschaftsverhältnissen eine höhere Erfolgsquote bei der Veredelung auf, neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass auch Arten mit entfernten genetischen Verwandtschaftsverhältnissen ein Veredelungspotenzial haben. Dies hat zu familienübergreifenden Partner-Accepting-Grafts (iPAG) geführt, die insbesondere bei der Nicotiana-Art Xylembrücken ähnlich einigen parasitären Pflanzen-Wirt-Kombinationen bilden.
Tracheäre Elemente (TEs), die Hauptbestandteile des Xylems, spielen eine entscheidende Rolle beim Transport von Wasser und Nährstoffen. Allerdings besteht immer noch eine Herausforderung darin, bestimmte Verbindungen herzustellen, wie zum Beispiel das Phloem in Nicotiana iPAG. Daher ist die Untersuchung der molekularen Grundlagen der Xylembildung an der Transplantatverbindung für das Erreichen einer Transplantation zwischen Familien von wesentlicher Bedeutung.
Im April 2023, Gartenbauforschung veröffentlichte eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Nicotiana benthamiana XYLEM CYSTEINE PROTEASE-Gene erleichtern die Bildung tracheärer Elemente bei der Transplantation zwischen Familien„.
In dieser Studie wurde Nicotiana benthamiana als erfolgreiche Interfamilien-Transplantatkombination auf den Blütenstandsstamm von Arabidopsis (Nb/At) gepfropft und mit dem inkompatiblen Transplantat aus Glycine max und Arabidopsis (Gm/At) verglichen. Beobachtungen etwa 14 Tage nach der Veredelung (DAG) zeigten, dass sich bei der Nb/At-Veredelung Xylembrücken zwischen dem Spross und dem Stamm bildeten, während sich bei den Gm/At-Veredelungen Spross und Frucht setzten, nicht jedoch.
Bemerkenswerterweise wurden TEs mit spiralförmigen Mustern in Nb/At-Transplantaten beobachtet. Nach der Hemmung der TE-Bildung mit 2,3,5-Triiodbenzoesäure (TIBA) wurde festgestellt, dass das Sprosswachstum auch nach 14 DAG gehemmt wurde. Diese Ergebnisse zeigten, dass das Wachstum von Sprösslingen von der Bildung von De-novo-TE und der Neuverbindung von Xylem abhängt. Darüber hinaus untersuchte die Forschung den molekularen Mechanismus, der der Xylembildung während der Transplantation zugrunde liegt, indem sie die Gentranskription untersuchte.
VND1-VND7 sind Master-Transkriptionsfaktoren, von denen bekannt ist, dass sie Xylembildungsprozesse in Arabidopsis initiieren. Die Studie ergab, dass die Xylembildung etwa bei 3 DAG begann und mit der Zeit fortschritt. Anschließend wurden die Expressionsmuster von Genen untersucht, die mit der Xylembildung zusammenhängen. Nb/At-Transplantate zeigten eine erhöhte Expression aller vier VND7-homologen Gene in N. benthamiana, was auf deren Bedeutung für die Xylembildung an der Transplantatgrenze hinweist. Im Gegensatz dazu zeigten Gm/At-Transplantate unterschiedliche Expressionsniveaus zwischen VND7-homologen Genen.
Eine weitere Gennetzwerkanalyse mithilfe der Weighted Gene Correlation Network Analysis (WGCNA) und der Bayes’schen Netzwerkanalyse zeigte ein Kernmodul von Genen auf, die für die Xylemdifferenzierung während der Transplantation wesentlich sind. Eine bedeutende Entdeckung waren die NbXCP-Gene, die für die Bildung von De-novo-TE während der Transplantation entscheidend sind. Die GUS-Expressionsanalyse wurde in Nb/At durchgeführt und es wurde festgestellt, dass die GUS-Expression im neu erzeugten TE des Kallus am Transplantat konzentriert war.
Die mit dem CRISPR/Cas9-System hergestellten Doppel-Knockout-Mutanten von NbXCP1 und NbXCP2 zeigten Zellverdauungsdefekte in differenzierten Stamm-TEs im Vergleich zum Wildtyp (WT). Die Überlebensrate nahm bei den Nbxcp1-;Nbxcp2/At-Transplantaten ab, während die NbXCP1-OX/At-Transplantate tendenziell zunahmen. Schließlich ergab die Studie auch, dass VND7 an den NbXCP1-Promotor binden kann, was dessen Expression und damit die Bildung von Xylem beeinflusst.
Zusammenfassend verdeutlichte diese Studie die entscheidende Rolle von Xylemverbindungen bei einer erfolgreichen Transplantation zwischen Familien, indem sie die molekularen Grundlagen der Xylembildung an der Transplantatverbindung untersuchte. Durch Transkriptom- und Gennetzwerkanalysen wurden Module von Genen entdeckt, die für die TE-Bildung verantwortlich sind und mit der Differenzierung von Xylemzellen und der Immunantwort zusammenhängen.
Insbesondere wurden die Funktionen der Nicotiana benthamiana XYLEM CYSTEINE PROTEASE (NbXCP)-Gene bei der TE-Bildung validiert, was ihre Rolle bei der Steigerung der Wachstumsrate nach der Transplantation und der Fruchtgröße hervorhebt. Diese Erkenntnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die Optimierung von Pfropftechniken und die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Pflanzen. Zukünftige Untersuchungen können tiefer in das Zusammenspiel zwischen Xylembildung und Pflanzenimmunität eintauchen und potenzielle Durchbrüche bei Pfropfmethoden ermöglichen.
Mehr Informationen:
Chaokun Huang et al., Nicotiana benthamiana XYLEM CYSTEINE PROTEASE-Gene erleichtern die Bildung tracheärer Elemente bei der Transplantation zwischen Familien. Gartenbauforschung (2023). DOI: 10.1093/hr/uhad072