Adventivwurzeln von Pappeln, die durch Stängelkrebserreger induziert werden: Ein experimentelles System zur Untersuchung der Wurzelbiologie und der Prozesse im Zusammenhang mit der Lichtreaktion

Min Li; Donglin Wang; Yuchen Fu; Mingzhuo Zhao; Zheng Li; Wanna Shen; Long Pan; Xiaohua Su; Jiaping Zhao

doi:10.3791/67304

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Methodenartikel

Adventivwurzeln von Pappeln, die durch Stängelkrebserreger induziert werden: Ein experimentelles System zur Untersuchung der Wurzelbiologie und der Prozesse im Zusammenhang mit der Lichtreaktion

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DOI:

10.3791/67304

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11. Oktober 2024

Min Li^*¹^,² , Donglin Wang^*¹^,² , Yuchen Fu¹^,² , Mingzhuo Zhao³ , Zheng Li¹^,² , Wanna Shen¹^,² , Long Pan¹^,² , Xiaohua Su⁴ , Jiaping Zhao¹^,²

¹State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Institute of Ecological Conservation and Restoration, Chinese Academy of Forestry, ²Comprehensive Experimental Center in Yellow River Delta of Chinese Academy of Forestry, ³Beijing Haidian Kaiwen Academy High School, ⁴State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry

^* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll zur Induktion der Produktion von Adventivwurzeln (ARs) über den Phloem- oder Epidermisgürtel-Pilzerreger-Impfweg vor, das für die Untersuchung der Wurzelbiologie und der physiologischen Prozesse im Zusammenhang mit der Lichtreaktion in Pappeln geeignet ist.

Zusammenfassung

Valsa sordida und Botryosphaeria dothidea sind zwei wichtige nekrotrophe Pilzpathogene, die viele pflanzliche Wirte schädigen, insbesondere Arten der Gattung Populus. Diese beiden pilzlichen Erreger kommen vor allem in Pappelzweigen, -stämmen und -zweigen vor und verursachen klassische Symptome wie Krebsläsionen, Kronensterben und Welken. Die Impfung mit Krankheitserregern ist der effizienteste Weg, um den Mechanismus von Pflanzenkrankheiten zu untersuchen. Neben den Krebsläsionen um die Inokulationsstellen an den Stängeln wurde bei Pappelarten nach Impfungen mit Stammkrebserregern ein neues Entwicklungsphänomen beobachtet, reichlich Adventivwurzeln (ARs) mit leuchtend roter Farbe. In dieser Studie haben wir die Methode zur Induktion von ARs mit Hilfe von pilzlichen Krankheitserregern in Pappeln beschrieben. Der entscheidende Schritt dieser Methode ist die Inokulation des Erregers nach (Phloem- oder Epidermis-)Gürtelmanipulation. Der zweite entscheidende Schritt ist das Auftragen des feuchtigkeitsspendenden Materials. Im Vergleich zur feuchtigkeitsspendenden Manipulation mit Parafilm kann das Umwickeln der geimpften Stellen mit Haushaltsfolie aus Polyethylen (PE) innerhalb von 20 Tagen nach der Umgürtung und Impfung farbenfrohe, zahlreiche und robuste ARs erzeugen. Schließlich keimten aus den geimpften Ringen in den Pappelstämmen nach der Beschattungsbehandlung (Umwickeln der Stängel mit Aluminiumfolie) weiße ARs. Mit dieser Methode wird ein neuartiges experimentelles System zur Untersuchung der Wurzelentwicklung und Morphogenese eingeführt, das für das Verständnis der Biologie der Wurzelentwicklung, der Morphogenese und der Reaktion auf Krankheitsstress von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus kann diese Studie in Kombination mit einer Beschattungsbehandlung ein geeignetes experimentelles System zur Untersuchung von Prozessen im Zusammenhang mit der Lichtreaktion bieten, beispielsweise der Biosynthese von Flavonoiden, Anthocyanen oder anderen verwandten Metaboliten und Genen oder Transkriptionsfaktoren, die an diesen Prozessen beteiligt sind.

Einleitung

Pappelstammkrebskrankheiten, die durch nekrotrophe Pilzpathogene, Valsa sordida und Botryosphaeria dothidea, verursacht werden, sind die beiden entscheidenden Baumkrankheiten in Nordchina, die die Entwicklung ökologischer und wirtschaftlicher Plantagen von Pappelarten schwer beeinträchtigt haben. Pappelkrebserkrankungen treten immer an der Rinde der Stämme und Äste auf, während Krebsläsionen ihre typischen Symptome sind. Nach dem Ausbruch der Krankheiten schädigten die expandierenden Krebsläsionen nach und nach das Phloem, das Kambium und das Xylem der Wirte. Darüber hinaus beeinflussten sie den Transport von assimilierten Produkten und Wasser durch das Gefäßsystem. Wie die Krebserreger den Phloem- und Xylemtransport behindern, bleibt jedoch unklar.

Um die Transportmechanismen von Kohlenhydraten und Wasser in Pappeln aufzudecken, die von Krebserregern befallen sind, haben wir die Phloem- oder Epidermisgürtel-Inokulationsmethode ^1,2 vorgeschlagen, die die klassische Manipulation des Gartengürtels und die Methode der Erregerinokulation (Myzelia-Block-Wunden-Inokulation) kombiniert. Mit diesen Methoden kann der Befallsprozess und die durch Krebserreger induzierte Verstopfung von Wasser und Kohlenhydraten simuliert werden.

Unsere Forschung zeigte, dass Pilzpathogene das Absterben des Pappelkronendachs verursachten, indem sie zunächst einen Kohlenstoffmangel und nicht ein hydraulisches Versagen induzierten 1,3,4,5. Überraschenderweise haben wir eine besondere Rhizogenese an Pappelstämmen beobachtet, die mit der Inokulation von Stammkrebserregern in Verbindung gebracht wurden: Reichlich rote Adventivwurzeln (ARs) wachsen aus dem unteren Ende der oberen Stängel (gegenüber dem oberen Rand der Phloem- oder Epidermis-Gürtelringe). Darüber hinaus zeigten unsere Experimente, dass die Produktion von ARs bei der Interaktion zwischen Pappel und Krebserregern universell ist. Sie können aus Pappelarten oder Klonen unterschiedlichen Alters (1-, 2- oder sogar 6 Jahre) hergestellt werden und können durch verschiedene Krebspathogene (V. sordida und B. dothidea) oder deren Isolate induziert werden. Darüber hinaus haben wir die Farbmechanismen von Pappel-ARs untersucht, und die Ergebnisse zeigten, dass sie mit der Biosynthese von Flavonoiden und Anthocyanen sowie mit der Regulation der Genexpression von lichtbezogenen Genen (oder Genmodulen) unter Lichtbedingungen verbunden ist⁶. Daher können diese durch Krankheitserreger induzierten Pappel-ARs als stabiles und ideales experimentelles System für die Untersuchung der Pflanzen-Pathogen-Interaktion, der Wurzelbiologie und der Funktion und Expression lichtbezogener Gene verwendet werden.

In dieser Studie werden wir das Protokoll zur Etablierung eines experimentellen Systems für Pappel-ARs durch einen Gürtel-Impfweg vorstellen und bereitstellen. Darüber hinaus weisen wir auf die entscheidenden Faktoren hin, die die Bildung von ARs beeinflussen, und erläutern die mögliche Anwendung der Gürtelimpfung bei der Erforschung der Biologie der Pappelwurzel und anderer physiologischer Prozesse, die mit der Lichtreaktion zusammenhängen.