Роль генов XYLEM CYSTEINE PROTEASE в образовании ксилемы при межсемейственной прививке

Прививка — древний метод размножения растений, успех которого зависит от срастания тканей и восстановления проводящих путей (ксилемы и флоэмы). Хотя прививка обычно эффективнее у родственных видов, возможна и межсемейственная прививка (iPAG), например, у видов Nicotiana.

Ключевую роль в восстановлении водного потока играют трахеарные элементы (ТЭ) ксилемы. Однако молекулярные механизмы их образования в месте прививки оставались малоизученными.

В исследовании, опубликованном в Horticulture Research (апрель 2023), использовали модель успешной межсемейственной прививки Nicotiana benthamiana на стебель Arabidopsis (Nb/At) и сравнили её с несовместимой прививкой Glycine max на Arabidopsis (Gm/At).

Основные результаты

  • Образование ксилемных мостов: К 14-му дню после прививки (DAG) в комбинации Nb/At наблюдалось образование ксилемных мостов между подвоем и привоем, а также плодоношение. В комбинации Gm/At этого не происходило.
  • Зависимость роста от ТЭ: Ингибирование образования ТЭ с помощью 2,3,5-трийодбензойной кислоты (TIBA) подавляло рост привоя после 14 DAG. Это подтвердило, что рост зависит от образования de novo ТЭ и восстановления ксилемы.
  • Роль транскрипционных факторов: Анализ экспрессии генов показал, что в Nb/At-прививках повышалась активность четырёх гомологов гена VND7 — главного регулятора образования ксилемы у Arabidopsis. В Gm/At-прививках экспрессия этих генов была неоднородной.
  • Выявление ключевых генов: Анализ генной сети с помощью WGCNA и Байесовского анализа выявил ключевой модуль генов, ответственных за дифференцировку ксилемы. Особую важность имели гены NbXCP (XYLEM CYSTEINE PROTEASE).
  • Функция генов NbXCP: Анализ GUS-экспрессии показал, что гены NbXCP активны в новообразованных ТЭ каллуса на границе прививки.
    • Двойные нокаут-мутанты NbXCP1 и NbXCP2, созданные с помощью системы CRISPR/Cas9, демонстрировали дефекты в переваривании клеток при дифференцировке ТЭ стебля по сравнению с диким типом (WT).
    • Приживаемость прививок у мутантов Nbxcp1;Nbxcp2/At снижалась, а у растений с гиперэкспрессией NbXCP1 (NbXCP1-OX/At) — имела тенденцию к повышению.
  • Регуляция: Установлено, что транскрипционный фактор VND7 может связываться с промотором гена NbXCP1, регулируя его экспрессию и влияя на формирование ксилемы.

Выводы

Исследование раскрыло молекулярную основу образования ксилемы при межсемейственной прививке. Были идентифицированы генные модули, связанные с дифференцировкой клеток ксилемы и иммунным ответом. Подтверждена ключевая роль генов NbXCP в формировании ТЭ, что повышает скорость роста после прививки и размер плодов.

Эти результаты важны для оптимизации техники прививки и повышения устойчивости растений. Дальнейшие исследования могут быть сосредоточены на взаимосвязи между образованием ксилемы и иммунитетом растения.

2023-10-31