Định hình lại kỹ thuật ghép vi mô của cây giống để nghiên cứu tín hiệu đường dài trong hiện tượng ra hoa của Arabidopsis thaliana

Journal of Plant Research - Tập 122 - Trang 201-214 - 2009
Michitaka Notaguchi1, Yasufumi Daimon2, Mitsutomo Abe2, Takashi Araki2
1Department of Botany, Graduate School of Science, Kyoto University, Kyoto, Japan
2Division of Integrated Life Science, Graduate School of Biostudies, Kyoto University, Kyoto, Japan

Tóm tắt

Signaling đường dài thông qua các mô phloem là một cơ chế quan trọng cho sự giao tiếp giữa các cơ quan. Sự giao tiếp này cho phép cây tích hợp thông tin môi trường vào các phản ứng sinh lý và phát triển. Kỹ thuật ghép cây đã cung cấp bằng chứng thuyết phục về tín hiệu đường dài liên quan đến nhiều quá trình khác nhau, bao gồm ra hoa, hình thành củ, tạo nốt, phân nhánh chồi, điều hòa gen sau phiên mã, và khả năng kháng bệnh. Một kỹ thuật ghép vi mô để tạo ra các ghép hai chồi đã được áp dụng cho các cây giống non của Arabidopsis thaliana và đã được điều chỉnh để sử dụng trong nghiên cứu ra hoa. Phân tích mô học sử dụng các cây transgenic biểu hiện β-glucuronidase (GUS) trong các mô phloem cho thấy sự liên tục của phloem giữa gốc và chồi được thiết lập trong khoảng thời gian từ 7 đến 10 ngày sau khi ghép. Các thí nghiệm sử dụng thuốc nhuộm đánh dấu và protein huỳnh quang xanh lá cây tăng cường (EGFP) cho thấy sự kết nối phloem hoạt động và có khả năng truyền tải các phân tử lớn. Các ghép thành công có thể đạt được với tần suất cao (10-30%) và được chọn lọc sau 2-3 tuần tăng trưởng sau phẫu thuật. Phương pháp này đã được áp dụng thành công vào nghiên cứu ra hoa, một trong những sự kiện quan trọng được điều chỉnh bởi tín hiệu đường dài. Kỹ thuật ghép này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu tác động đường dài của các gen liên quan đến nhiều khía cạnh của sự tăng trưởng và phát triển, cũng như trong việc vận chuyển các phân tử tín hiệu.

Từ khóa

#ghép cây #tín hiệu đường dài #Arabidopsis thaliana #ra hoa #mô học #phloem #cây transgenic

Tài liệu tham khảo

Abe M, Kobayashi Y, Yamamoto S, Daimon Y, Yamaguchi A, Ikeda Y, Ichinoki H, Notaguchi M, Goto K, Araki T (2005) FD, a bZIP protein mediating signals from the floral pathway integrator FT at the shoot apex. Science 309:1052–1056 An H, Roussot C, Suárez-López P, Corbesier L, Vincent C, Piñeiro M, Hepworth S, Mouradov A, Justin S, Turnbull C, Coupland G (2004) CONSTANS acts in the phloem to regulate a systemic signal that induces photoperiodic flowering of Arabidopsis. Development 131:3615–3626 Araki T (2001) Transition from vegetative to reproductive phase. Curr Opin Plant Biol 4:63–68 Asahina M, Iwai H, Kikuchi A, Yamaguchi S, Kamiya Y, Kamada H, Satoh S (2002) Gibberellin produced in the cotyledon is required for cell division during tissue reunion in the cortex of cut cucumber and tomato hypocotyls. Plant Physiol 129:201–210 Ayre BG, Turgeon R (2004) Graft transmission of a floral stimulant derived from CONSTANS. Plant Physiol 13:2271–2278 Bainbridge K, Bennett T, Turnbull C, Leyser O (2006) Grafting. Methods Mol Biol 323:39–44 Beveridge C (2006) Axillary bud outgrowth: sending a message. Curr Opin Plant Biol 9:35–40 Booker J, Chatfield S, Leyser O (2003) Auxin acts in xylem-associated or medullary cells to mediate apical dominance. Plant Cell 15:495–507 Brosnan C, Mitter N, Christie M, Smith N, Waterhouse P, Carroll B (2007) Nuclear gene silencing directs reception of long-distance mRNA silencing in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 104:14741–14746 Chen A, Komives E, Schroeder J (2006) An improved grafting technique for mature Arabidopsis plants demonstrates long-distance shoot-to-root transport of phytochelatins in Arabidopsis. Plant Physiol 141:108–120 Clough S, Bent A (1998) Floral dip: a simplified method for Agrobacterium-mediated transformation of Arabidopsis thaliana. Plant J 16:735–743 Corbesier L, Vincent C, Jang S, Fornara F, Fan Q, Searle I, Giakountis A, Farrona S, Gissot L, Turnbull C, Coupland G (2007) FT protein movement contributes to long-distance signaling in floral induction of Arabidopsis. Science 316:1030–1033 Flaishman M, Loginovsky K, Golobowich S, Lev-Yadun S (2008) Arabidopsis thaliana as a model system for graft union development in homografts and heterografts. J Plant Growth Regul 27:231–239 Fusaro A, Matthew L, Smith N, Curtin S, Dedic-Hagan J, Ellacott G, Watson J, Wang M, Brosnan C, Carroll B, Waterhouse P (2006) RNA interference-inducing hairpin RNAs in plants act through the viral defence pathway. EMBO Rep 7:1168–1175 Gomez-Roldan V, Fermas S, Brewer P, Puech-Pages V, Dun E, Pillot J, Letisse F, Matusova R, Danoun S, Portais J, Bouwmeester H, Becard G, Beveridge C, Rameau C, Rochange S (2008) Strigolactone inhibition of shoot branching. Nature 455:189–194 Hartmann HT, Kester DE, Davies FT Jr (1990) Plant propagation: principles and practices, 5th edn. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, pp 305–348 Haywood V, Yu T, Huang N, Lucas W (2005) Phloem long-distance trafficking of GIBBERELLIC ACID-INSENSITIVE RNA regulates leaf development. Plant J 42:49–68 Hempel FD, Weigel D, Alejandra Mandel M, Ditta G, Zambryski PC, Feldman LJ, Yanofsky MF (1997) Floral determination and expression of floral regulatory genes in Arabidopsis. Development 124:3845–3853 Imlau A, Truernit E, Sauer N (1999) Cell-to-cell and long-distance trafficking of the green fluorescent protein in the phloem and symplastic unloading of the protein into sink tissues. Plant Cell 11:309–322 Jackson S (1999) Multiple signaling pathways control tuber induction in potato. Plant Physiol 119:1–8 Jaeger KE, Wigge PA (2007) FT protein acts as a long-range signal in Arabidopsis. Curr Biol 17:1050–1054 Kim M, Canio W, Kessler S, Sinha N (2001) Developmental changes due to long-distance movement of a homeobox fusion transcript in tomato. Science 293:287–289 Kobayashi Y, Kaya H, Goto K, Iwabuchi M, Araki T (1999) A pair of related genes with antagonistic roles in mediating flowering signals. Science 286:1960–1962 Lifschitz E, Eviatar T, Rozman A, Shalit A, Goldshmidt A, Amsellem Z, Alvarez J, Eshed Y (2006) The tomato FT ortholog triggers systemic signals that regulate growth and flowering and substitute for diverse environmental stimuli. Proc Natl Acad Sci USA 103:6398–6403 Lin M, Belanger H, Lee Y, Varkonyi-Gasic E, Taoka K, Miura E, Xoconostle-Cázares B, Gendler K, Jorgensen RA, Phinney B, Lough TJ, Lucas WJ (2007) FLOWERING LOCUS T protein may act as the long-distance florigenic signal in the Cucurbits. Plant Cell 19:1488–1506 Lin S, Chiang S, Lin W, Chen J, Tseng C, Wu P, Chiou T (2008) Regulatory network of microRNA399 and PHO2 by systemic signaling. Plant Physiol 147:732–746 Lough T, Lucas W (2006) Integrative plant biology: role of phloem long-distance macromolecular trafficking. Annu Rev Plant Biol 57:203–232 Mathieu J, Warthmann N, Küttner F, Schmid M (2007) Export of FT protein from phloem companion cells is sufficient for floral induction in Arabidopsis. Curr Biol 17:1055–1060 Michaels S, Himelblau E, Kim S, Schomburg F, Amasino R (2005) Integration of flowering signals in winter-annual Arabidopsis. Plant Physiol 137:149–156 Notaguchi M, Abe M, Kimura T, Daimon Y, Kobayashi T, Yamaguchi A, Tomita Y, Dohi K, Mori M, Araki T (2008) Long-distance, graft-transmissible action of Arabidopsis FLOWERING LOCUS T protein to promote flowering. Plant Cell Physiol 49:1645–1658 Oka-Kira E, Kawaguchi M (2006) Long-distance signaling to control root nodule number. Curr Opin Plant Biol 9:496–502 Oparka KJ, Duckett CM, Prior DAM, Fisher DB (1994) Real-time imaging of phloem unloading in the root tip of Arabidopsis. Plant J 6:759–766 Palauqui J, Elmayan T, Pollien J, Vaucheret H (1997) Systemic acquired silencing: transgene-specific post-transcriptional silencing is transmitted by grafting from silenced stocks to non-silenced scions. EMBO J 16:4738–4745 Pant B, Buhtz A, Kehr J, Scheible W (2008) MicroRNA399 is a long-distance signal for the regulation of plant phosphate homeostasis. Plant J 53:731–738 Rhee SY, Somerville CR (1995) Flat-surface grafting in Arabidopsis thaliana. Plant Mol Biol Rep 13:118–123 Rus A, Baxter I, Muthukumar B, Gustin J, Lahner B, Yakubova E, Salt DE (2006) Natural variants of AtHKT1 enhance Na+ accumulation in two wild populations of Arabidopsis. PLoS Genet 2:1964–1973 Simpson G, Dean C (2002) Arabidopsis, the Rosetta stone of flowering time? Science 296:285–289 Stoddard FL, McCully ME (1980) Effects of excision of stock and scion on the formation of the graft union in Coleus: a histological study. Bot Gaz 141:401–412 Suárez-López P (2005) Long-range signalling in plant reproductive development. Int J Dev Biol 49:761–771 Sugaya S, Hayakawa K, Handa T, Ucimiya H (1989) Cell-specific expression of the rolC gene of the TL-DNA of Ri plasmid in transgenic tobacco plants. Plant Cell Physiol 30:649–653 Tamaki S, Matsuo S, Wong H, Yokoi S, Shimamoto K (2007) Hd3a protein is a mobile flowering signal in rice. Science 316:1033–1036 Tsukaya N, Naito S, Rédei G, Komeda Y (1993) A new class of mutations in Arabidopsis thaliana, acaulis1, affecting the development of both inflorescences and leaves. Development 118:751–764 Turnbull C, Booker J, Leyser H (2002) Micrografting techniques for testing long-distance signalling in Arabidopsis. Plant J 32:255–262 Umehara M, Hanada A, Yoshida S, Akiyama K, Arite T, Takeda-Kamiya N, Magome H, Kamiya Y, Shirasu K, Yoneyama K, Kyozuka J, Yamaguchi S (2008) Inhibition of shoot branching by new terpenoid plant hormones. Nature 455:195–200 Weller JL, Reid JB, Taylor SA, Murfet IC (1997) The genetic control of flowering in pea. Trends Plant Sci 2:412–418 Wigge P, Kim M, Jaeger K, Busch W, Schmid M, Lohmann J, Weigel D (2005) Integration of spatial and temporal information during floral induction in Arabidopsis. Science 309:1056–1059 Wright KM, Oparka KJ (1996) The fluorescent probe HPTS as a phloem-mobile, symplastic tracer: an evaluation using confocal laser scanning microscopy. J Exp Bot 47:439–445 Xia Y, Suzuki H, Borevitz J, Blount J, Guo Z, Patel K, Dixon R, Lamb C (2004) An extracellular aspartic protease functions in Arabidopsis disease resistance signaling. EMBO J 23:980–988 Yamaguchi A, Kobayashi Y, Goto K, Abe M, Araki T (2005) TWIN SISTER OF FT (TSF) acts as a floral pathway integrator redundantly with FT. Plant Cell Physiol 46:1175–1189 Zeevaart JAD (1976) Physiology of flower formation. Annu Rev Plant Physiol 27:321–348