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.

Cytokinin signalling in the regulation of cambial development

Secondary growth of plants is of pivotal importance in terrestrial ecosystems, providing a significant carbon sink in the form of wood. As plant biomass accumulation results largely from the cambial growth, it is surprising that quite little is known about the hormonal or genetic control of this important process in any plant species. The central aim of my thesis studies was to explore the function of cytokinin in the regulation of cambial development. Since their discovery as regulators of plant cell divisions, cytokinins have been assumed to participate in the control of cambial development. Evidence for this action was deduced from hormone treatment experiments, where exogenously applied cytokinin was shown to enhance cambial cell divisions in diverse plant organs and species. In my thesis work, the conservation of cytokinin signalling and homeostasis genes between a herbaceous plant, Arabidopsis, and a hardwood tree species, Populus trichocarpa. Presumably reflecting the ancient origin of cytokinin signalling system, the Populus genome contains orthologs for all Arabidopsis cytokinin signalling and homeostasis genes. Thus, genes belonging to five main families of isopentenyl transferases (IPTs), cytokinin oxidases (CKXs), two-component receptors, histidine containing phosphotransmitters (HPts) and response regulators (RRs) were identified from the Populus genome. Three subfamilies associated with cytokinin signal transduction, the CKI1-like family of two-component receptors, the AHP4-like HPts, and the ARR22-like atypical RRs, were significantly larger in Populus genome than in Arabidopsis. Potential contribution to the extensive secondary development of Populus by the members of these considerably expanded gene families will be discussed. Representatives of all cytokinin signal transduction elements were expressed in the Populus cambial zone, and most of the expressed genes appeared to be slightly more abundant on the phloem side of the meristem. The abundance of cytokinin related genes in the cambium emphasizes the important role of this hormone in the regulation of the extensive secondary growth characteristic of tree species. The function of the pseudo HPts in primary vascular development was studied in Arabidopsis root vasculature. It was demonstrated that the pseudo HPt AHP6 has a role in locally inhibiting cytokinin signalling in the protoxylem position in the Arabidopsis root, thus enabling differentiation of the protoxylem cell file. The possible role of pseudo HPts in cambial development will be discussed. The expression peak of cytokinin signalling genes in the tree cambial zone strongly indicates that cytokinin has a role in the regulation of this meristem function. To address whether cytokinin signalling is required for cambial activity, transgenic Populus trees with modified cytokinin signalling were produced. These trees were expressing a cytokinin catabolic gene from Arabidopsis, CYTOKININ OXIDASE 2, (AtCKX2) under the promoter of a Betula CYTOKININ RECEPTOR 1 (BpCRE1). The pBpCRE1::CKX2 transgenic Populus trees showed a reduced concentration of a biologically active cytokinin, correlating with their impaired cytokinin response. Furthermore, the radial growth of these trees was compromised, as illustrated by a smaller stem diameter than in wild-type trees of the same height. Moreover, the level of cambial cytokinin signalling was down-regulated in these thin-stemmed trees. The reduced signalling correlated with a decreased number of meristematic cambial cells, implicating cytokinin activity as a direct regulator of cambial cell division activity. Together, the results of my study indicate that cytokinins are major hormonal regulators required for cambial development.