Branching control mechanisms in the model tree Populus: analyzing the role of strigolactones and BRANCHED1

Abstract

Pflanzen verfügen über ein hohes Maß an phänotypischer Plastizität. Modifikationen ihres genetisch determinierten Aufbaus ermöglichen ihnen, flexibel auf ein breites Spektrum von Umwelteinflüssen zu reagieren. Dies umfasst Veränderungen der Pflanzenarchitektur, die durch den modularen Aufbau des Sprosses ermöglicht werden. In den Blattachseln des Primärsprosses werden Achselknospen angelegt. Jede einzelne dieser Knospen hat das Potenzial, zu einem Sekundärspross, d.h. einem Zweig, auszuwachsen. Der Knospenaustrieb wird jedoch reguliert und die meisten Knospen verbleiben in einem dormanten Status. Bei der Entscheidung, ob die Dormanz einer Knospe gebrochen wird und sie zu einem Zweig auswächst, spielen diverse endo- und exogene Faktoren eine Rolle, die in einem komplexen, aus Hormonen und Transkriptionsfaktoren bestehenden Regelnetz, integriert werden. Dieses umfasst Strigolactone (SL), eine neuartige Klasse von Phytohormonen, die im Allgemeinen den Knospenaustrieb hemmen. Es wird diskutiert, dass der inhibitorische Effekt der SL durch eine Modulation des Flusses des Phytohormons Auxin und/oder die Regulation anderer nachgelagerter Faktoren direkt in der Knospe herbeigeführt wird. Das bekannteste Beispiel für ein knospenspezifisches, SL-reguliertes Gen ist BRANCHED1 (BRC1), dessen mRNA-Abundanz positiv von SL beeinflusst wird. Es codiert einen Transkriptionsfaktor der den Knospenaustrieb unterdrückt, was höchstwahrscheinlich über eine Regulation des Zellzyklus erfolgt. SL und BRC1 wurden umfassend in Modellarten wie Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), Erbse (Pisum sativum), Petunie (Petunia hybrida) und Reis (Oryza sativa) untersucht. Im Gegensatz dazu ist das Wissen über die Gene und Stoffwechselwege dieses Regelkreises in verholzten, ausdauernden Arten wie dem Modellbaum Pappel (Populus sp.), limitiert. In der vorliegenden Arbeit wurden Pappel-Orthologe von Genen, die an der SL-Biosynthese (MAX4) und der SL-Signaltransduktion (MAX2) beteiligt sind, identifiziert und auf eine vermutete Funktion in der Regulation der Baumarchitektur untersucht. Es existieren jeweils zwei Orthologe in der Pappel. Um ihre Funktion zu charakterisieren, wurden Expressionsanalysen durchgeführt und transgene Linien für amiRNA-vermittelte simultane oder einzelne knock-downs der beiden Orthologe erzeugt. Knock-downs von MAX2 waren nur teilweise erfolgreich. Es konnte kein Phänotyp beobachtet werden, was höchstwahrscheinlich auf eine redundante Funktion des nicht herunterregulierten Orthologs zurückzuführen ist. MAX4 Doppel-Knock-downs waren hingegen erfolgreich und es konnten typische SL-Mangelphänotypen in den entsprechenden amiMAX4-1+2 Linien beobachtet werden. Diese umfassten eine erhöhte Sprossverzweigung, eine Reduktion der Pflanzenhöhe, eine verkürzte Indernodienlänge sowie eine erhöhte Adventivbewurzelung. Durch ihre geringe Konzentration, hohe Instabilität und große Diversität ist die direkte Quantifizierung von SL sehr anspruchsvoll. Außerdem sind Standards und Referenzen für Pappel-SL nicht verfügbar, was direkte Messungen nicht durchführbar machte. Stattdessen wurden indirekte Hinweise auf SL-Mangel in den amiMAX4-1+2 Pflanzen gesammelt. Ein Beispiel dafür ist die erfolgreiche Komplementation der Sprossphänotypen durch Pfropfung. Baumspezifische Aspekte der Knospendormanz, besonders die Winterdormanz, wurden ebenfalls untersucht. Ein Einfluss von SL konnte aber nicht nachgewiesen werden, was darauf hinweist, dass SL den Knospenaustrieb nur in der vegetativen Periode hemmen. Als ein SL-reguliertes Zielgen und daher eine weitere wichtige Komponente der Verzweigungskontrolle wurde ein Pappel BRC1 Ortholog identifiziert. Dieses Gen wies die typischen, in anderen Arten nachgewiesenen Expressionsmuster, sowie eine signifikant reduzierte Expression in den erzeugten amiMAX4-1+2 Linien auf, welche wahrscheinlich reduzierte SL-Level haben. Zusätzlich wurde auf der Basis von Sequenz- und Expressionsanalysen ein Pappel BRC2 Ortholog identifiziert. Beide Gene kontrollieren möglicherweise die Verzweigung in Pappeln und integrieren verschiedene Umwelteinflüsse. Zusammengefasst legen die in diesem Projekt gewonnenen Daten eine Rolle von SL und BRC1 als wichtige Regulatoren des Knospenaustriebs in Pappeln nahe. Die Ergebnisse machen deutlich, dass grundlegende Prozesse in der Kontrolle der Pflanzenarchitektur über ein breites Spektrum von Arten, einschließlich Bäumen, hoch konserviert sind. Abgesehen von ihrer Relevanz als Grundlage zur Erforschung der Rolle von SL und BRC1 in Pappeln, sind die in diesem Projekt erzeugten stark verzweigten Linien möglicherweise wirtschaftlich für die Nutzung auf Kurzumtriebsplantagen interessant, auf welchen sie vermutlich über verbesserte Eigenschaften im Stockaustrieb nach der Ernte und im Kronenschluss verfügen.