Time to rest : Signals in shoot apex developmental transitions underlying dormancy

Vuodenajat rytmittävät monivuotisten kasvien elämää pohjoisella pallonpuoliskolla, jolla varmin merkki lähestyvästä talvikaudesta on asteittain lyhenevä päivänpituus. Kun päivänpituus on lyhentynyt tiettyyn raja-arvoon saakka, kasvu hiipuu ja kasvin kehityksessä tapahtuu suuria muutoksia. Väitöskirjatyössäni tutkittiin mekanismeja, jotka liittyvät pituuskasvun päättymiseen, silmujen lepotilan kehittymiseen ja kärkisilmun muodostumiseen hybridihaavan ja koivuntaimilla lyhyen päivänpituuden seurauksena kasvihuoneolosuhteissa. Vain lepotilaiset silmut selviytyvät luonnossa ankaran talvikauden yli, joten etenkin lepotilan kehittymisen tutkiminen on keskeistä pyrittäessä selvittämään monivuotisille kasveille tyypillisen kasvutavan mekanismeja. Jo pitkään on tiedetty, että täysikasvuiset lehdet vastaanottavat tiedon päivänpituudesta ja lähettävät signaaleja varren johtojänteissä ylöspäin kohti kasvin kärkiosaa. Sen sijaan varren kärjen ja kärkikasvupisteen roolia lepotilan kehittymisessä on selvitetty vain vähän. Kuitenkin juuri kärkikasvupisteen selviytyminen vuodesta toiseen on tärkeää, koska sen jakautumiskykyiset solukot tuottavat kasvin maanpäälliset osat. Tässä työssä tehdyissä varttamiskokeissa osoitettiin, että varren kärki ei ainoastaan vastaanota signaaleja lehdistä ja ajoita toimintaansa niiden mukaan, vaan myös kärjellä itsellään on aktiivinen rooli lepotilan kehittymisessä. Erityisesti kiinnitettiin huomiota kärkikasvupisteen eri alueiden, ns. apikaalimeristeemin ja rib-meristeemin erilaisiin tehtäviin ja pääteltiin, että molemmat vaikuttavat lepotilan kehittymiseen. Kokeissa käytettiin normaalien hybridihaapojen lisäksi siirtogeenisiä hybridihaapoja, jotka eivät lopeta kasvuaan lyhyt päivä –olosuhteissa. Siirtogeeniset hybridihaavat ilmensivät voimakkaasti fytokromi A -nimistä valon vastaanottajamolekyyliä rib-meristeemin alueella, mikä saattoi osaltaan vaikuttaa poikkeavaan pituuskasvukäyttäytymiseen. Myös useiden lepotilan kehittymiseen liittyvien geenien ilmenemisessä havaittiin poikkeavuuksia verrattuna ei-siirtogeenisiin kontrolleihin, joiden silmuissa kehittyi lepotila lyhyt päivä –altistuksen seurauksena. Väitöskirjatyössäni havaittiin, että myös kaasumainen kasvihormoni etyleeni toimii viestinvälittäjänä silmujen lepotilan kehittymisessä ja vaikuttaa etenkin lepotilan oikeaan ajoittumiseen. Etyleenillä huomattiin olevan määräävä rooli päätesilmun muodostumisessa: siirtogeeniset koivut, jotka eivät aisti etyleeniä, eivät muodostaneet päätesilmua. Silti siirtogeeniset koivut vaipuivat lepotilaan, joskin myöhemmin kuin ei-siirtogeeniset kontrollit. Tämän perusteella todettiin, että lepotilan ja päätesilmun kehittyminen ovat erillisiä kehitystapahtumia, vaikka ne saattavatkin ajoittua osaksi päällekkäin.

The shoot apical meristem (SAM) displays a high degree of autonomy and robustness, while simultaneously showing sensitivity to signals arriving from the shoot. In particular, photoperiod-induced graft-transmissible signals evoke developmental transitions at the SAM of both annuals and perennials. In trees, the seasonal habit to cycle between growth and rest is a key feature synchronized by photoperiod, which is detected by phytochrome pigments residing in the leaves. The perception of a short day length (SD) at the end of the season triggers considerable physiological and developmental adjustments which are necessary for over-wintering. We investigated the SD-induced transition to dormancy in hybrid poplar (Populus tremula L. x P. tremuloides Michx.) and the absence of such transition in transgenic hybrid poplar (P35S:AsPHYA), which over-expresses a heterologous PHYTOCHROME A (PHYA) gene. To dissect if leaf-derived signals dictate the apical responses to SD, graft systems were produced. In SD-exposed heterografts, both P35S:AsPHYA and the wild-type scions arrested growth and set buds, but only wild-type assumed dormancy while the P35S:AsPHYA scions flushed repeatedly. This indicates that the shoot apex plays an active role in the responses to SD. Physiological and molecular analyses showed that in the wild type, CENTRORADIALIS-LIKE1 (CENL1), a poplar ortholog of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. TERMINAL FLOWER1 (TFL1), was markedly down-regulated coincident with the SD-induced growth cessation and the transition to dormancy. By contrast, P35S:AsPHYA, which accumulated PHYA transcripts in the rib meristem (RM) and subjacent tissues but not in the SAM, up-regulated CENL1 in the RM area coincident with an acceleration of stem elongation under SD. Collectively, the results suggest that the RM and SAM influence the transition to dormancy in poplar. Accordingly, up-regulation of CENL1/TFL1 might promote stem elongation in poplar as well as in Arabidopsis during bolting, indicating that the RM may be sensitive to photoperiodic signals. Photoperiod-induced modifications in growth and development may involve plant hormonal signaling. To investigate the involvement of ethylene signaling in trees, birch (Betula pendula Roth.) was rendered ethylene insensitive by expressing the Arabidopsis ethylene receptor gene ETR1 carrying a dominant mutation etr1-1. Wild-type and transgenic, ethylene-insensitive birch (BPetr1-1) were used to study the role of ethylene in SD-induced responses in the SAM. Under SD, BPetr1-1 ceased growth, but the transition to dormancy was delayed as compared to the wild type. By contrast, the formation of terminal buds was abolished in BPetr1-1. This indicates that ethylene is required for bud set and that it facilitates growth arrest under SD. Furthermore, BPetr1-1 did not accumulate abscisic acid (ABA) in the apices under SD, suggesting that ethylene promotes ABA accumulation early during the development of dormancy. In addition, the up-regulation of a BETA-XYLOSIDASE in the shoot apices, which was typical for the SD-exposed wild type, was abolished in BPetr1-1, indicating that ethylene may be involved in the modification of cell walls during growth cessation. Alterations in SAM behavior were further evident from a reduced apical dominance and early flowering in BPetr1-1. Taken together, ethylene is involved in bud set and the timely suppression of SAM activity in birch. In summary, we show that SD-induced bud set and dormancy are distinct developmental phenomena which may involve processing of leaf-generated signals in the morphogenetic areas, RM and SAM, of the shoot apex.