Em formação

Como funciona o enxerto de plantas?


O enxerto de plantas é um processo pelo qual um pedaço de uma planta é inserido em outra e resulta na mudança da planta original. Por exemplo, enxertar um pedaço de limoeiro em uma laranjeira amarga fará com que essa árvore produza limões em vez de laranjas pelo resto de sua vida.

Como é que isso funciona? Quer dizer, no nível genético. Eu acho que a planta enxertada agora é algum tipo de quimera, mas se assim for

  1. Como o DNA enxertado afeta as células hospedeiras?

  2. Todas as células do hospedeiro são afetadas?

  3. Se sequenciassemos a árvore enxertada, qual genoma encontraríamos?

  4. Será que o DNA do hospedeiro não é afetado e os efeitos vêm por meio de uma mudança nos níveis de expressão? Se for esse o caso, eu presumiria que o enxerto só funcionará entre espécies muito próximas. É assim mesmo?

Basicamente, sei muito pouco sobre genética e fisiologia de plantas. Lembro-me dos meus tempos de graduação que a genética das plantas é simplesmente estranha. A maioria, senão todos, tem vários níveis de poliploidia. Isso é relevante?


Troca de material genético entre células em enxertos de tecido vegetal - Stegemann e Bock, Science 2009

Citando o artigo:

Embora os tecidos enxertados se fundam e estabeleçam conexões vasculares, acredita-se que o estoque (a parte inferior do enxerto) e o rebento (a parte superior, geralmente fornecendo apenas as partes aéreas do enxerto) não troquem seus materiais genéticos. Mas o enxerto (natural ou assistido) fornece um caminho para a transferência horizontal de genes. A transferência de genes está confinada ao local do enxerto e nenhuma transferência de longa distância pode ocorrer. Análises que indicam que pedaços grandes de DNA ou mesmo genomas de plastídios inteiros são transferidos. Apenas genes de plastídios podem ser transferidos, nenhuma transferência de genes nucleares ocorre. As células vegetais são conectadas por meio de pontes plasmáticas chamadas plasmodesmas, mas a passagem de grandes macromoléculas requer a ação de proteínas específicas de alargamento dos plasmodesmas. Se grandes pedaços de DNA ou mesmo organelas inteiras podem viajar através dos plasmodos, é necessária uma investigação mais aprofundada.

Finalmente, embora nossos dados demonstrem a troca de material genético entre plantas enxertadas, eles não dão suporte ao princípio de Lysenkoism de que a “hibridização de enxerto” seria análoga à hibridização sexual. Em vez disso, nossa descoberta de que a transferência de genes é restrita à zona de contato entre o descendente e o estoque indica que as mudanças podem se tornar hereditárias apenas através da formação de rebentos laterais a partir do local do enxerto. No entanto, há algumas evidências relatadas de alterações hereditárias induzidas por enxerto e, à luz de nossos achados, esses casos certamente justificam investigação molecular detalhada.


As citocininas são uma família bem estudada de hormônios vegetais. Na década de 1950, Skoog e Miller determinaram pela primeira vez a fórmula estrutural de uma citocinina, 6-furfurilaminopurina, uma substância isolada de uma preparação de DNA de espermatozoide de arenque que promove a divisão celular da planta in vitro. Foi denominado cinetina (fig. 1). No entanto, a 6-furfurilaminopurina é formada artificialmente em condições específicas, como quando as preparações de DNA se degradam ou são autoclavadas, e não era conhecido que ocorresse naturalmente. Subseqüentemente, N 6 - (Δ 2 -isopentenil) adenina (iP), trans-zeatina (tZ), cis-zeatina (cZ), diidrozeatina e topolinas foram identificadas como citocininas naturais in planta (Fig. 1a) [1]. iP e tZ desempenham um papel fisiológico importante na Arabidopsis e muitas outras espécies de plantas devido à maior abundância relativa e afinidade com seus receptores. Algumas plantas, incluindo as principais culturas (por exemplo, milho e arroz), contêm cZ e seus conjugados como as espécies de citocinina mais abundantes (Fig. 1b). Mesmo nessas plantas, iP e tZ assumem um papel central para as ações da citocinina, enquanto o significado fisiológico de cZ não foi totalmente elucidado. Como mostrado na Fig. 1, as citocininas incluem vários produtos químicos, mas as citocininas naturais comumente contêm uma porção de adenina e uma modificação da cadeia lateral na posição N6 da adenina. As citocininas naturais e artificiais são reconhecidas por receptores comuns de citocinina [2].

Estrutura e composição das citocininas. uma Estruturas de várias citocininas (CKs). N 6 - (Δ 2 -isopentenil) adenina (iP), trans-zeatin (tZ), cis-zeatin (cZ), diidrozeatina (DZ), e orto-topolina (oT) são apresentados como CKs naturais representativos. Cinetina e tidiazuron (TDZ) podem ativar os receptores de citocinina quando administrados, mas não são reguladores fisiológicos do crescimento das plantas. b Gráficos de pizza mostrando a abundância relativa de espécies de citocinina em brotos de Arabidopsis thaliana (deixou) e Oryza sativa (direito) o gráficos superiores mostrar a quebra da variante da cadeia lateral: tZ e seus conjugados (tipo tZ), iP e seus conjugados (tipo iP), e cZ e seus conjugados (tipo cZ) citocininas. o gráficos inferiores mostrar divisão de conjugado-variante: forma ativa (CK), ribosídeos (Ribosídeos CK), ribotídeos (CK-ribotides), e glicosídeos (CK-glucosides) Os cálculos são baseados em dados de quantificação típicos de [31] e [28] para Arabidopsis e arroz, respectivamente. FW peso fresco


Os genomas das plantas enxertadas podem se comunicar uns com os outros

Um enxerto entre dois genótipos de Arabidopsis thaliana, mostrado em uma imagem de microscopia confocal. Um genótipo possui membranas plasmáticas marcadas em amarelo e o outro marcado em vermelho. Os pesquisadores do Salk Institute e da Cambridge University estudaram o movimento dos sRNAs através da junção do enxerto e as mudanças epigenéticas resultantes no genoma das plantas. Crédito: Charles Melnyk / Universidade de Cambridge

A enxertia agrícola data de quase 3.000 anos. Por tentativa e erro, pessoas da China à Grécia antiga perceberam que unir um galho cortado de uma planta ao caule de outra poderia melhorar a qualidade das colheitas.

Agora, pesquisadores do Salk Institute e da Cambridge University usaram essa prática antiga, combinada com a pesquisa genética moderna, para mostrar que as plantas enxertadas podem compartilhar traços epigenéticos, de acordo com um novo artigo publicado na semana de 18 de janeiro de 2016 no Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Enxerto é algo feito com frequência no mundo comercial e, ainda assim, não entendemos completamente as consequências para as duas plantas", disse Joseph Ecker, um dos autores sênior do artigo e diretor do Laboratório de Análise Genômica de Salk. "Nosso estudo mostrou que a informação genética está realmente fluindo de uma planta para a outra. Essa é a surpresa para mim."

Essa informação genética compartilhada entre as plantas não é DNA - as duas plantas enxertadas mantêm seus genomas originais - mas a informação epigenética está sendo comunicada dentro da planta.

Na epigenética, os marcadores químicos atuam nos genes existentes no DNA de uma planta ou animal para ativar ou desativar os genes. A epigenética pode determinar se uma célula se torna uma célula muscular ou uma célula da pele e determinar como uma planta reage a diferentes solos, climas e doenças.

Os pesquisadores da Salk, Mat Lewsey e Joseph Ecker, descobriram que moléculas minúsculas impulsionam o silenciamento de genes em brotos enxertados. Crédito: Salk Institute

"No futuro, esta pesquisa pode permitir que os produtores explorem as informações epigenéticas para melhorar as safras e os rendimentos", disse Mathew Lewsey, um dos primeiros autores do artigo e pesquisador associado da Salk.

Para rastrear o fluxo de informações epigenéticas, as equipes de Salk e Cambridge se concentraram em pequenas moléculas chamadas de pequenos RNAs, ou sRNAs. Existem vários tipos de processos epigenéticos, mas os sRNAs contribuem para um processo de silenciamento de genes denominado metilação do DNA. Na metilação do DNA, os marcadores moleculares se ligam ao longo do topo do DNA para bloquear a maquinaria da célula de ler ou expressar os genes sob os marcadores moleculares.

Estudos anteriores realizados por membros de Cambridge deste grupo de pesquisa mostraram que os sRNAs podem se mover através de plantas enxertadas desde os brotos até as raízes. Então, os pesquisadores desenvolveram um experimento de enxertia com três variações da planta Arabidopsis thaliana (agrião thale). Duas variedades eram agriões thale de tipo selvagem, enquanto a terceira variedade era um mutante criado para não ter sRNAs de qualquer tipo.

Depois de realizar cada enxerto, os pesquisadores analisaram o tecido da parte aérea e da raiz para procurar mudanças na metilação do DNA ao longo dos diferentes genomas das plantas. Eles também confirmaram se os sRNAs estavam se movendo das plantas do tipo selvagem para a variedade mutante que não tinha sRNAs.

"Essa configuração nos permitiu observar algo bastante único: eles estavam na verdade transmitindo o equivalente epigenético dos alelos, chamados epialelos", diz Lewsey.

Um alelo é um gene compartilhado dentro de uma espécie, mas pode diferir de indivíduo para indivíduo, como o alelo para o desenvolvimento da doença de Huntington. Nesse caso, os pesquisadores buscavam sítios ao longo do epigenoma das plantas que fossem alelos alterados pelo processo epigenético. Em outras palavras: epialelos.

"Como as duas plantas de tipo selvagem variaram em sua epigenética ao longo de seus genomas, pudemos observar como enxertar um broto nas raízes pode realmente transmitir epialelos de uma planta para outra", diz Lewsey.

David Baulcombe, autor sênior do artigo, reconhece que as novas descobertas não foram totalmente inesperadas. Trabalhos anteriores em menor escala indicaram que os sRNAs podiam se mover e mediar a mudança epigenética no tecido receptor.

"O que foi inesperado, no entanto, foi a escala das mudanças devido ao RNA móvel", diz Baulcombe, do Departamento de Ciências Vegetais da Universidade de Cambridge.

Milhares de locais ao longo do genoma do agrião foram silenciados por sRNAs. Ao examinar a localização dessas epialelas, os pesquisadores podem começar a encontrar pistas para seu propósito. Os epialelos observados no experimento eram frequentemente áreas de silenciamento do genoma chamadas de elementos transponíveis, ou transposons.

Os transposons fazem parte do chamado DNA escuro, ou a vasta porção de um genoma que não codifica genes. Originalmente chamados de "genes saltadores", os transposons podem se mover de cima para baixo no genoma para influenciar a expressão de genes próximos. Muitos dos transposons visados ​​pelos sRNAs no experimento estavam muito próximos em localização aos genes ativos.

Apesar desse silenciamento de transposons, houve apenas pequenas mudanças na expressão gênica entre as plantas do tipo selvagem e a planta mutante que não tinha sRNAs.

"Achamos que isso se deve à natureza compacta do A. thaliana genoma ”, diz Lewsey.“ É provável que mudar para uma espécie com um genoma maior e transposons mais ativos mostre uma diferença maior ”.

Graças às novas ferramentas de edição de genes, será possível realizar experimentos de enxerto semelhantes com os genomas mais complicados de plantações populares.

"Em outras plantas com genomas mais complexos, esses efeitos serão ampliados em muitas centenas de vezes", diz Ecker, que também é investigador do Howard Hughes Medical Institute e da Gordon and Betty Moore Foundation.

Baulcombe concorda que os efeitos epigenéticos do RNA móvel são provavelmente muito maiores com plantas cultivadas do que nas espécies modelos usadas no presente trabalho. Os dois grupos de pesquisa agora estão planejando uma colaboração estendida para explorar esses efeitos no tomate e em outras safras.

"Já existem milhares de outras diferenças epigenéticas entre as raízes e os brotos de uma única planta - e duas plantas enxertadas também são geneticamente diferentes", diz Ecker. "Portanto, criar essa diferença epialélica nas raízes é algo realmente novo para a planta."


Tipos de enxerto:

Dependendo do tamanho e da posição do caule do enxerto e do amplificador, o tipo de corte é feito no estoque e do enxerto, existem diferentes tipos de enxerto viz.

  1. Enxerto de abordagem: Allamanda sp.
  2. Enxerto lateral: Roses.
  3. Enxerto de emenda: Alguns cactos
  4. Enxerto de sela: Rhododendron & amp Lilac.
  5. Enxerto plano: Todos cactos
  6. Enxerto de fenda: Árvores frutíferas.


Métodos artificiais de reprodução assexuada

Esses métodos são freqüentemente empregados para dar origem a novas e, às vezes, novas plantas. Eles incluem enxerto, corte, estratificação e micropropagação.

Enxerto

Figura 2. Enxertia é um método artificial de reprodução assexuada usado para produzir plantas que combinam características favoráveis ​​do caule com características favoráveis ​​da raiz. O caule da planta a ser enxertada é conhecido como enxerto e a raiz é chamada de tronco.

A enxertia tem sido usada há muito tempo para produzir novas variedades de rosas, espécies cítricas e outras plantas. No enxerto, duas espécies de plantas são usadas, parte do caule da planta desejável é enxertada em uma planta enraizada chamada estoque. A parte que é enxertada ou anexada é chamada de herdeiro. Ambos são cortados em um ângulo oblíquo (qualquer ângulo diferente de um ângulo reto), colocados em contato próximo um com o outro e, então, mantidos juntos. Figura 2. Combinar essas duas superfícies o mais próximo possível é extremamente importante porque elas estarão segurando a planta junto. Os sistemas vasculares das duas plantas crescem e se fundem, formando um enxerto. Após um período de tempo, o rebento começa a produzir brotos e, eventualmente, começa a dar flores e frutos. A enxertia é amplamente utilizada na viticultura (viticultura) e na citricultura. Rebentos capazes de produzir uma determinada variedade de frutas são ralados no estoque de raízes com resistência específica a doenças.

Corte

Plantas como coleus e plantas-dinheiro são propagadas através do caule estacas, onde uma parte do caule contendo nós e entrenós é colocada em solo úmido e pode enraizar. Em algumas espécies, os caules podem começar a produzir uma raiz mesmo quando colocados apenas na água. Por exemplo, as folhas da violeta africana irão enraizar-se se forem mantidas em água sem perturbações durante várias semanas.

Layering

Figura 3. Na estratificação, uma parte do caule é enterrada para formar uma nova planta.

Layering é um método em que um caule preso à planta é dobrado e coberto com solo. Os caules jovens que podem ser dobrados facilmente sem qualquer lesão são preferidos. Jasmim e buganvílias (flor de papel) podem ser propagados desta forma. Figura 3.

Em algumas fábricas, uma forma modificada de estratificação conhecida como estratificação de ar é empregada. Uma parte da casca ou cobertura externa do caule é removida e coberta com musgo, que é então colado com fita adesiva. Alguns jardineiros também aplicam hormônio de enraizamento. Depois de algum tempo, as raízes aparecerão e esta parte da planta pode ser removida e transplantada para um vaso separado.

Micropropagação

Micropropagação (também chamada de cultura de tecido vegetal) é um método de propagação de um grande número de plantas de uma única planta em um curto período de tempo em condições de laboratório (Figura 4). Este método permite a propagação de espécies raras e ameaçadas de extinção que podem ser difíceis de cultivar em condições naturais, são economicamente importantes ou são procuradas como plantas livres de doenças.

Figura 4. A micropropagação é usada para propagar plantas em condições estéreis. (crédito: Nikhilesh Sanyal)

Para iniciar a cultura do tecido da planta, uma parte da planta, como caule, folha, embrião, antera ou semente, pode ser usada. O material vegetal é totalmente esterilizado por meio de uma combinação de tratamentos químicos padronizados para aquela espécie. Em condições estéreis, o material vegetal é colocado em um meio de cultura de tecido vegetal que contém todos os minerais, vitaminas e hormônios exigidos pela planta. A parte da planta freqüentemente dá origem a uma massa indiferenciada conhecida como calo, a partir da qual as plântulas individuais começam a crescer após um período de tempo. Estes podem ser separados e são primeiro cultivados em condições de estufa antes de serem movidos para as condições de campo.


Cultura de tecidos

Usando a cultura de tecidos, às vezes chamada de micropropagação, pequenos fragmentos de plantas são tratados com hormônios vegetais em um meio de cultivo estéril. Os hormônios estimulam o crescimento de um calo, a partir do qual uma nova muda pode crescer. Este método é usado para produzir um grande número de mudas idênticas.

No interativo Fazendo uma planta transgênica, a terceira etapa mostra como as mudas transgênicas são desenvolvidas em laboratório usando cultura de tecidos e depois enxertadas em porta-enxertos.


Árvores que se autoenxertam

Quando dois galhos ou troncos de árvore crescem próximos um do outro, é possível que eles cresçam o suficiente para se tocarem. Se a casca ficar abrasada, digamos, por atrito causado pelo balanço com a brisa, é possível que eles se tornem fisiologicamente & ndash ou funcionalmente & ndash conectados. Esta é a base do enxerto.

As pessoas enxertam plantas há milhares de anos, mais comumente para propagar características desejáveis, como cor, frutificação, tamanho ou forma da flor, unindo intencionalmente duas plantas diferentes. Mas tanto o enxerto de rebento como de raiz ocorrem naturalmente nas árvores, sem assistência humana. Na verdade, alguns estudiosos sugeriram que as práticas de enxerto de horticultura surgiram pela primeira vez quando os primeiros humanos tentaram imitar o enxerto natural que observaram na natureza.

O resultado do enxerto, natural ou hortícola, é um organismo geneticamente composto funcionando como uma planta. Ou seja, o enxerto resulta na criação de um sistema genético composto pela união de dois ou mais genótipos distintos, cada um dos quais mantém sua própria identidade genética ao longo da vida da planta enxertada. É por isso que, por exemplo, um ramo de uma rosa com flor vermelha enxertada em um estoque de rosa branca continuará a produzir rosas vermelhas em vez de rosas híbridas brancas ou rosa.

Aqui & rsquos como funciona o enxerto. Logo abaixo da casca de todas as plantas lenhosas está uma camada de células vivas chamada câmbio. Essas células se dividem e se multiplicam para criar tecidos de casca para fora do câmbio e tecidos de madeira para dentro. É assim que as raízes, caules e galhos das árvores crescem em circunferência. E é a mais recentemente criada dessas células em cada lado do câmbio que desempenha as funções vitais de transporte de água e minerais coletados pelas raízes do solo para a árvore, e os carboidratos produzidos nas folhas para o resto do a árvore. Pense na camada do câmbio como o encanamento da árvore.

Quando o sistema de encanamento de uma árvore se funde com o de outra árvore, uma união de enxerto é formada. Mas isso só pode acontecer em condições específicas. Primeiro, as partes da árvore devem ser biologicamente compatíveis. É por isso que essas fusões são mais comuns entre os galhos, caules ou raízes de uma árvore ou entre duas árvores individuais da mesma espécie. Mas isso pode acontecer entre duas árvores de espécies intimamente relacionadas. Quanto mais diferentes as espécies são taxonomicamente, menos provável que um enxerto possa ocorrer entre suas partes. Na verdade, nenhum desses enxertos jamais foi documentado entre espécies de árvores em famílias diferentes.

Outros requisitos para essa incrível mágica da árvore são que as partes da árvore estejam em contato direto, prolongado e sob pressão, tenham umidade suficiente e proteção contra elementos, insetos e patógenos e tenham essas células cambiais devidamente alinhadas. Ok, é biologia e não realmente mágica, mas pode muito bem considerar quantas coisas precisam dar certo para que funcione. Entre as espécies de árvores do Nordeste, o enxerto natural de brotos ocorre em bordo de açúcar, cereja preta, carvalho vermelho e branco, sicômoro, salgueiro, faia, cicuta e pinheiro branco (conforme foto).

Deve-se notar que há muitas ocorrências de ramos ou caules crescendo muito próximos uns dos outros, até mesmo se tocando no que pareceria uma união de enxerto, mas que acabam sendo separados por camadas de casca. Essas não são verdadeiras uniões de enxerto, porque carecem de conectividade fisiológica. Aquele em questão aqui pareceria um verdadeiro enxerto porque a parte inferior de uma haste parece morta, enquanto sua parte superior parece estar viva e bem, sugerindo que uma reconexão fisiológica ocorreu. Ah, a quase mágica da biologia das árvores.

Michael Snyder, um engenheiro florestal, é comissário do Departamento de Florestas, Parques e Recreação de Vermont.

& cópia 2013 pelo autor este artigo não pode ser copiado ou reproduzido sem o consentimento do autor.
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Modificações de fenótipo por meio de interações copa-porta-enxerto

Como os porta-enxertos modificam os fenótipos dos descendentes?

Os porta-enxertos conferem diferenças na tolerância à salinidade, tolerância à seca, eficiência do uso da água, vigor do enxerto, arquitetura do enxerto, composição do elemento mineral e eficiência de uso, fenologia e qualidade e rendimento do fruto em uma ampla gama de espécies (Warschefsky et al., 2016 Colla et al., 2017 Kumar et al., 2017). Tradicionalmente, as diferenças conferidas pelo porta-enxerto nos fenótipos de copa foram determinadas empiricamente com pouca ou nenhuma atenção aos mecanismos subjacentes. No entanto, é claro que há um controle genético das modificações dos fenótipos da copa conferidas pelo porta-enxerto, uma vez que a parentesco de um determinado porta-enxerto é freqüentemente observada para indicar seu comportamento no campo (Cordeau, 1998 Pico et al., 2017) e locos de características quantitativas (QTLs) para uma variedade de características conferidas por porta-enxertos foram identificados (Rusholme Pilcher et al., 2008 Estañ et al., 2009 Asins et al., 2010, 2015, 2017 Marguerit et al., 2012 Bert et al., 2013 Fazio et al., 2014 Raga et al., 2014 Foster et al., 2015 Knäbel et al., 2015 Tandonnet et al., 2018).

Um exemplo importante do uso de porta-enxertos para conferir características ao enxerto é o uso de porta-enxertos anões da série Malling em pomares comerciais de macieira (Hatton, 1917). O anão foi amplamente estudado com esses porta-enxertos e três QTLs foram identificados em populações contendo o porta-enxerto anão M9 (Rusholme Pilcher et al., 2008 Fazio et al., 2014 Foster et al., 2015 Harrison et al., 2016b ) Recentemente, a família do fator de transcrição WRKY da maçã foi alvejado como genes candidatos de controle de nanismo no porta-enxerto M26 e MdWRKY9 foi identificado como um candidato potencial com base em sua expressão diferencial entre diferentes porta-enxertos anões e não anões (Zheng et al., 2018). A superexpressão de MdWRKY9 reprime MdDWF4, que controla a etapa de limitação de taxa na síntese de brassinosteróide, reduzindo assim a produção de brassinosteróide e desencadeando anão (Zheng et al., 2018). No entanto, a capacidade desses porta-enxertos transgênicos de conferir nanismo a um descendente de tipo selvagem (visto que os brassinosteróides não são considerados moléculas sinalizadoras de longa distância Symons et al., 2008) e se MdWRKY9 é a causa subjacente de um dos QTLs de nanismo conferido por M9 na maçã ainda são desconhecidos.

Os porta-enxertos podem influenciar os fenótipos de copa por meio de uma variedade de mecanismos, como segue.

(1) Os porta-enxertos podem diferir em seu funcionamento, ou seja, sua capacidade de capturar recursos do solo (por meio de diferenças na arquitetura do sistema radicular, funcionamento e interações com a rizosfera) e transportá-los para o rebento. Por exemplo, os porta-enxertos de videira e cítricos têm arquiteturas de raiz diferentes (Sorgona et al., 2007 Dumont et al., 2016) e diferentes capacidades para absorver fosfato e remobilizar as reservas de fósforo (Zambrosi et al., Gautier 2012 et al., 2018). Da mesma forma, maior comprimento de raiz está associado a maior condutância estomática e transpiração em videiras enxertadas sob déficit hídrico baixo e moderado (Peccoux et al., 2018). Além disso, os porta-enxertos de videira diferem em sua resposta de exsudação de pH à deficiência de ferro (Ollat et al., 2003) e alterar o microbioma do solo (Marasco et al., 2018).

(2) A própria interface do enxerto pode alterar o desenvolvimento do enxerto diretamente. No entanto, embora frequentemente sugerido na literatura, isso parece improvável em enxertos compatíveis, uma vez que as conexões através da interface tenham sido bem estabelecidas. Em geral, uma vez estabelecida, a união do enxerto oferece pouca resistência ao movimento da água (Clearwater et al., 2004 Nardini et al., 2006 Adams et al., 2018) e não houve nenhuma evidência clara das moléculas sequestrantes de interface, apesar de haver inúmeras sugestões disso na literatura (Webster, 2004 Gregory et al., 2013).

(3) Os porta-enxertos podem diferir em sua regulação da sinalização da raiz caule em termos de concentração e fluxos de moléculas de sinalização. Uma série de revisões foram dedicadas aos papéis potenciais das moléculas de sinalização de longa distância na regulação das interações enxerto-enxerto (Goldschmidt, 2014 Albacete et al., 2015 Venema et al., 2017). O enxerto de porta-enxertos que foram geneticamente modificados para alterar as moléculas sinalizadoras de longa distância (como hormônios) pode afetar os fenótipos dos descendentes. Por exemplo, a superexpressão de isopenteniltransferase (IPT), uma enzima chave da biossíntese de citocininas, em porta-enxertos de tomate aumenta o conteúdo de citocinina do rebento e sua resistência ao estresse salino (Ghanem et al., 2011). Da mesma forma, um estudo recente mostrou que a metilação do promotor de IPT5B é maior nas raízes do porta-enxerto de maçã anã M9 em comparação com um porta-enxerto de alto vigor, e que isso está correlacionado com reduções na expressão de IPT5B na raiz e conteúdo de citocinina na atirar (Feng et al., 2017). Existem também numerosos exemplos de sinais específicos associados a características conferidas por porta-enxertos. Por exemplo, os porta-enxertos de videira podem conferir diferenças no comportamento do caule (por exemplo, ramificação do caule) que são consistentes com diferenças na biossíntese de moléculas de sinalização móveis (por exemplo, estrigolactonas) (Cochetel et al., 2018). Em enxertos de tomate, o crescimento e as respostas da planta ao ambiente abiótico têm sido associados a modificações na concentração de certos hormônios, por exemplo, sob baixo fornecimento de potássio, a biomassa da parte aérea é negativamente correlacionada com a concentração do precursor de etileno ácido aminociclopropano-1-carboxílico ( Martínez-Andújar et al., 2016). Da mesma forma, em alguns casos, os porta-enxertos de maçã mostraram alterar a concentração de giberelinas no enxerto (Tworkoski e Fazio, 2016) e a superexpressão de uma maçã gerada artificialmente Mhgai1, um alelo insensível a GA, em porta-enxertos de tomate confere anão ao rebento de tomate de tipo selvagem (Wang et al., 2012), isso sugere que a sinalização de giberelina pode ser um mecanismo potencial de nanismo por porta-enxertos de maçã. Como os recursos genéticos são limitados para a maioria das culturas comerciais, é difícil obter provas experimentais inequívocas dos mecanismos moleculares subjacentes à variação genotípica nas características conferidas pelo porta-enxerto.

(4) Em culturas perenes, porta-enxertos e mudas podem diferir em sua percepção dos sinais ambientais sazonais relacionados à dormência. As mudanças sazonais no clima devem ser coordenadas entre duas espécies diferentes, potencialmente adaptadas a diferentes regimes de temperatura. Há relatos de porta-enxertos que alteram a abertura dos botões, a senescência das folhas e a cessação do crescimento no final da estação de crescimento (Wang et al., 1994 Dong et al., 2008 Prassinos et al., 2009 Loureiro et al., 2016), mas os mecanismos permanecem desconhecidos. No kiwi, os porta-enxertos diferem no desenvolvimento de pressão radicular na primavera e isso está associado ao vigor conferido ao enxerto, com porta-enxertos de alto vigor aumentando mais rapidamente a pressão radicular (Clearwater et al., 2007). Da mesma forma, se as plantas enxertadas consistem em dois indivíduos com ritmos e relógios biológicos diferentes, é possível que os porta-enxertos influenciem os ritmos circadianos do rebento e vice-versa.

Como as mudas modificam os fenótipos do porta-enxerto?

Os porta-enxertos são conhecidos por alterar uma ampla gama de fenótipos de copa, mas pouca atenção tem sido dada aos efeitos de copa em fenótipos de porta-enxerto, apesar do fato de que tais efeitos foram reconhecidos há muito tempo (Amos et al., 1930). A caracterização dos efeitos da copa no desenvolvimento do porta-enxerto tem sido amplamente limitada aos efeitos na biomassa da raiz ou comprimento total da raiz (Amos et al., 1930 Tandonnet et al., 2010 Harrison et al., 2016uma) Existem inúmeros exemplos de sinais transmitidos pelo caule que regulam o desenvolvimento da raiz em espécies modelo (Ko e Helariutta, 2017), por exemplo, metabólitos, hormônios, peptídeos, HY5 (que regula o carbono da planta inteira e o status de nitrogênio Chen et al., 2016), microRNA 156 (que regula a formação de tubérculos em batata Bhogale et al., 2014), e microRNA 399 (que regula a captação e translocação de fosfato em condições de privação de fósforo Lin et al., 2014). Estudar como as mudas alteram os fenótipos do porta-enxerto é de particular importância para as culturas de raízes, e o trabalho futuro nesta área é uma prioridade.

Direções de pesquisas futuras

Nosso conhecimento dos sinais associados às modificações do porta-enxerto de fenótipos de copa está crescendo rapidamente e muitos QTLs que regulam as características conferidas foram identificados. No entanto, experimentos projetados para compreender a arquitetura genética de características conferidas por porta-enxertos geralmente têm se restringido ao estudo de apenas uma variedade de copa e raramente incluem controles autoenxertados. Uma exceção é o estudo de Bert et al. (2013) em videira, em que foi comparada a tolerância à deficiência de ferro induzida por calcário em porta-enxertos enxertados (com copa única) e estacas não enxertadas. Os autores descobriram que a arquitetura genética do porta-enxerto versus as respostas da planta inteira à deficiência de ferro eram diferentes, portanto, as futuras direções de pesquisa devem abordar os papéis do caule e da raiz na regulação de características de interesse e nas respostas da planta ao ambiente.

A ideia de que a interface do enxerto poderia sequestrar ou alterar fisicamente o movimento dos sinais entre a copa e o porta-enxerto origina-se de experimentos em enxertos de maçã sem controles homoenxertados (Jones, 1974, 1976 Else et al., 2018), mas mais experimentos são necessários para confirmar essa hipótese.

Numerosos pequenos RNAs são encontrados na seiva do floema (Buhtz et al., 2008) e são transmissíveis por enxerto (conforme revisado por Tamiru et al., 2018), sugerindo que eles poderiam modificar a sinalização copa-porta-enxerto. Como o enxerto interespecífico pode modificar os padrões de metilação do DNA no parceiro enxertado (Wu et al., 2013), é possível que modificações epigenéticas sejam a base de muitas características conferidas por porta-enxertos em espécies de cultivo e este tópico será de interesse no futuro.


Sinalização Sistêmica

Defesa

As plantas vivem em ambientes biologicamente diversos. A microbiota circundante confere efeitos positivos e negativos às plantas. Conseqüentemente, as plantas precisavam desenvolver relações simbióticas com micróbios para receber benefícios e sistemas de defesa para se proteger. Os microrganismos que afetam o crescimento das plantas incluem vírus, bactérias, fungos e nematóides. Aqui, apresentamos descobertas recentes de tais interações planta-micróbio e moléculas de sinalização envolvidas em respostas de defesa sistêmica.

A infecção viral de plantas induz o silenciamento de RNA para restringir a propagação do vírus (Ruiz et al. 1998, Ratcliff et al. 1999), que resulta do pequeno RNA interferente derivado de vírus (siRNA) gerado por fatores de planta hospedeira, proteínas DICER-LIKE (DCL) e RNA polimerases dependentes de RNA (Garcia-Ruiz et al. 2010). O efeito de silenciamento de RNA pode se espalhar sistemicamente (Voinnet e Baulcombe 1997) e é transmissível por enxerto (Palauqui et al. 1997, Fusaro et al. 2006, Brosnan et al. 2007). A produção de siRNA contra vírus nos porta-enxertos transgênicos proporcionou resistência viral a mudas não transgênicas (Song et al. 2013, Zhao e Song 2014). Além disso, por meio do silenciamento dos fatores do hospedeiro que suportam o vírus, a planta pode se tornar resistente aos vírus. Nicotiana tabacum TOM1 e NtTOM3 Apoio, suporte Tobamovirus spp. multiplicação, e o silenciamento de NtTOM1/3 por siRNA fornece resistência a Tobamovirus spp. (Asano et al. 2005). siRNA contra NtTOM1/3 pode mover-se do porta-enxerto expressando o RNA em gancho que gera siRNA para o descendente, o que resulta no silenciamento de RNA de NtTOM1 / 3 na resistência a herpes e vírus (Ali et al. 2013).

O ataque de bactérias também induz a sinalização de defesa sistêmica. Xia et al. (2004) relataram que uma protease aspártica apoplástica, codificada por RESISTÊNCIA À DOENÇA CONSTITUTIVA 1 (CDR1), foi induzida após inoculação bacteriana e sinalização de defesa ativada sistemicamente. Em plantas enxertadas consistindo de um tipo selvagem como um descendente e um CDR1- planta transgênica induzível como estoque, CDR1 indução nas ações promovidas proteína 2 relacionada à patogênese (PR2) expressão nos descendentes (Xia et al. 2004). A low molecular weight (3–10 kDa) fraction of intercellular fluid collected from CDR1-induced plants had the ability to induce PR2 expression, and the activity was reduced by heat and pronase treatments ( Xia et al. 2004). These experiments indicate that CDR1 can generate a 3–10 kDa peptide elicitor(s) to induce a systemic defense response, including the expression of PR2.

Aphids (Myzus persicae) promote infestation by hijacking the lipoxygenase (LOX) pathway. In a normal situation, 9-LOX family genes in A. thaliana are involved in lateral root development ( Vellosillo et al. 2007). However, once leaves were exposed to aphids, the expression level of one of the 9-LOX family genes, LOX5, in the roots was up-regulated within 3 h and LOX5 synthesized oxylipin ( Nalam et al. 2012). Oxylipin was detected both in petiole exudates and in aphids, suggesting that the root-to-shoot translocation of oxylipin resulted in the promotion of aphid fecundity ( Nalam et al. 2012, Nalam et al. 2013). These studies suggest that aphids ingeniously use shoot-to-root-to-shoot systemic signaling for their infestation. An unknown factor(s) can be released from aphids or aphid-damaged leaves to induce LOX5 expression in the roots. Grafting of a wild-type scion onto a lox5 mutant rootstock showed that the aphid population became smaller than that in a wild-type scion/wild-type stock or a lox5 scion/wild-type stock ( Nalam et al. 2012). These grafting experiments revealed that the LOX5 genotype in the root influences aphid infestation, suggesting that root-derived oxylipin synthesized by LOX5 or its derivative can function as an aphid activator in the shoots.

Soil conditions

Primary resources for plant growth are photosynthetic carbon (C) fixation and absorption of nutrients in the shoot and root, respectively. These local events have to be precisely co-ordinated and integrated, and the output signals are then shared throughout the body for vigorous growth. The mechanisms of systemically co-ordinated macronutrient uptake and the signaling molecules involved have been unveiled by grafting experiments.

One macronutrient, phosphorus (P), which is a key component of ATP, nucleic acids and phospholipids, is absorbed in the form of inorganic phosphate (Pi) ( Schachtman et al. 1998). Pi is also the major form of P in the vascular system ( Bieleski 1973). In response to Pi deficiency, its uptake is increased ( Drew and Saker 1984) through the up-regulation of PHOSPHATE TRANSPORTER 1 (PHT1) expression via the microRNA399 (miR399)/PHO2 pathway ( Fujii et al. 2005, Bari et al. 2006). Plants in Pi-starved conditions produced miR399 in the leaves, and miR399 was detected in the phloem sap, which suggested that miR399 is a shoot-to-root mobile signal ( Pant et al. 2008). miR399 targets PHO2 transcripts encoding a ubiquitin-conjugating enzyme that mediates the degradation of PHT1 ( Huang et al. 2013). PHO2 gene expression is decreased in Pi-starved conditions by miR399, resulting in the up-regulation of PHT1 in the roots and Pi accumulation in the leaves ( Fujii et al. 2005, Bari et al. 2006). Thus in this miR399/PHO2 pathway, systemic signaling co-ordinates the Pi response, and this Pi-responsive mechanism is probably conserved in plants ( Bari et al. 2006, Branscheid et al. 2010). Similarly, in response to a sulfate deficiency, miR395 and some genes (including a sulfate transporter gene) are up-regulated ( Takahashi et al. 1997, Kawashima et al. 2011).

A second example involves the uptake of nitrogen (N), a key component of nucleic acids and proteins. Nitrate is a readily accessible form of N, and details of a systemic signaling pathway in nitrate sensing have become increasingly clear from the use of micrografting. Root-to-shoot-to-root systemic signaling controls nitrate uptake from the roots, and a series of components are identified one after another in A. thaliana: root-derived peptide signals C-TERMINALLY ENCODED PEPTIDE (CEP), the receptor CEP RECEPTOR (CEPR) and shoot-derived signals CEP DOWNSTREAM (CEPD) ( Tabata et al. 2014, Ohkubo et al. 2017). Under nitrate-starved conditions, the expression of CEP genes is induced in the roots, and CEPs are transported to the shoots via the xylem. Subsequently, the expression levels of nitrate transporter genes are up-regulated in the roots to increase nitrate uptake ( Tabata et al. 2014, Ohkubo et al. 2017). Grafting experiments demonstrated that the CEP signal was perceived by CEPRs in the shoots ( Tabata et al. 2014). Grafted plants consisting of the cepr1-1/2-1 mutant scion and the wild-type stock lost their responsiveness to nitrate starvation. Thus, the perception of CEPs by CEPR triggers the production of a secondary signal translocated from the shoots to the roots, which promotes the expression of nitrate transporters in the roots. Recently, CEPDs have been identified as the secondary signal ( Ohkubo et al. 2017). o cepd1 cepd2 double mutant did not show systemic up-regulation of nitrate transporter genes under nitrate-deficient conditions. A expressão de CEPD genes was induced in response to CEP1 treatment in a wild type, but not in the cepr1 mutant, supporting the fact that CEPDs are secondary signals downstream of the CEP–CEPR pathway.

N fixation by rhizobia, another N uptake system based on systemic signaling, has been well studied in many plant species including legumes. Legumes form nodules for their symbiosis with rhizobia through systemic regulation. Grafting experiments in L. japonicas have revealed the players in nodule formation or ‘nodulation’, as follows. Two CLAVATA3/ESR-related (CLE) family peptides of 13 amino acids in length with an arabinose chain, called LjCLE-Root Signal 1 (LjCLE-RS1) and LjCLE-RS2, were identified as root-to-shoot signals to suppress nodule formation that were up-regulated by rhizobial inoculation ( Okamoto et al. 2009, Okamoto et al. 2013). LjCLE-RS2 is transported to the shoot via the xylem and binds to HAR1, a leucine-rich repeat receptor kinase, to regulate the number of nodules ( Okamoto et al. 2013). Grafting experiments showed that HAR1 activity in the shoots is required to regulate nodulation ( Krusell et al. 2002, Nishimura et al. 2002, Okamoto and Kawaguchi 2015). The hypernodulation phenotype of the har1 mutant is rescued by grafting of the wild-type scion onto the har1 mutant rootstock, suggesting that there is a shoot-derived nodulation-inhibiting signal downstream of HAR1. Since the amount of cytokinin (CK) was decreased in the har1 mutant, it has been proposed that CK is a signal molecule that suppresses nodulation ( Sasaki et al. 2014). The following experiments by Sasaki et al. (2014) also support this hypothesis the graft of a CK synthase, isopentenyl transferase 3 (IPT3), overexpressor suppressed nodulation in the wild-type stock. Conversely, a graft of the ipt3 mutant promoted nodulation in the wild-type stock. CK applied to cotyledons was transported to roots ( Sasaki et al. 2014). Altogether, nodulation was controlled by root-to-shoot-to-root signaling, whereas the transport of CK provided the molecular basis for shoot-to-root signaling.

Systemic signaling may also control the uptake of micronutrients. In the case of iron (Fe), grafting experiments were performed using two cultivars of field pea (Pisum sativum), one tolerant and the other intolerant to Fe deficiency, and showed that a shoot-derived signal in response to Fe deficiency increased Fe reductase activity and the amount of citrate in the roots to promote Fe uptake ( Kabir et al. 2013). Self-grafted plants of the Fe deficiency-intolerant cultivar ‘Parafield’ displayed low ferric chelate reductase activity and a low amount of citrate in the roots and the xylem exudates under an Fe-deficient condition, whereas grafting of the Fe deficiency-intolerant cultivar ‘Santi’ scions onto ‘Parafield’ stocks increased the ferric chelate reductase activity and the amount of citrate in the ‘Parafield’ roots. This suggested that a tolerance to Fe deficiency depends on signal(s) from the shoots and that the signal promotes the Fe-responsive metabolism pathway in the roots. Plants utilize various other micronutrients such as boron (B), copper (Cu), manganese (Mn), molybdenum (Mo) and nickel (Ni) ( Hänsch and Mendel 2009). Some root-expressed transporters that are required for absorbing micronutrients have already been identified ( Takano et al. 2002, Sancenón et al. 2004, Tomatsu et al. 2007). Since excessive amounts of micronutrients can be toxic, their uptake by plants should be strictly controlled though such regulatory uptake mechanisms still remain largely unknown. Proteome and transcriptome analyses revealed various miRNAs and peptides with unknown functions that are expressed in roots ( Kehr 2012, Petricka et al. 2012), which might play a key role in systemic regulation. As shown in the cases of P and N, systemic signaling through the transport of miRNAs or peptides might be a common regulatory mechanism for the co-ordinated uptake of nutrients below the ground.

Light/photoperiod

Another local environmental factor input in the plant body is light/the photoperiod (day length). Several findings of light transmitting information to plants have been recently reported through the use of grafting. A bZIP transcription factor, ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5), regulates plant growth in response to light. Recently, grafting experiments using hy5 loss-of-function mutants uncovered the systemic action of HY5 to regulate root growth and nitrate uptake depending on light illumination of shoots. Its transport was detected by grafting, using the HY5–green fluorescent protein (GFP) fusion construct, and the authors concluded that C assimilation in shoots and N absorption in roots were co-ordinated through the transport of HY5 from shoot to root, which promoted root nitrate uptake by activating the expression of a nitrate transporter gene, NRT2.1 ( Chen et al. 2016).

The photoperiod is an important environmental cue that provides essential information for plants, allowing them to recognize seasons in broad areas on the planet. The information is mainly perceived in mature leaves and transmitted throughout the plant. Plant photoperiodic responses are varied and may include flowering in some species, tuberization in potatoes and bud set in trees, and much progress has been made toward understanding the molecular mechanisms ( Jackson 2009). Intensive studies on flowering involving grafting experiments critically revealed that an information signal called florigen is produced in the leaves and transmitted to the shoot apex, leading to a growth phase transition from vegetative to reproductive. It has now been well documented that the proteins encoded by FLOWERING LOCUS T (FT) in A. thaliana and other plant orthologs are the long-sought florigen, and the transport of the FT protein and its orthologs were also identified by grafting ( Corbesier et al. 2007, Lin et al. 2007, Notaguchi et al. 2008). Following initial identification, the transport mechanism has been further dissected, and several components involved in FT transport have now been identified: FT-INTERACTING PROTEIN1 (FTIP1) ( Liu et al. 2012), FE/ALTERED PHLOEM DEVELOPMENT—a transcriptional activator of FT and FTIP ( Abe et al. 2015)—and SODIUM POTASSIUM ROOT DEFECTIVE 1 (NaKR1) ( Zhu et al. 2016). Cotyledon grafting experiments were used to investigate the effect of NaKR1 on FT transport from the leaves to the shoot apex ( Zhu et al. 2016). As with these studies, grafting experiments have provided strong evidence for the systemic action of flowering genes and movement of florigenic proteins.

Photoperiodic flowering is regulated through the function of the circadian clock. A recent study revealed that signals from the shoot apex were important for circadian oscillation in roots. The grafting of shoot apices of arrhythmic mutants disrupted the rhythms of wild-type roots. The reverse experiments demonstrated that the graft of wild-type shoot apex partially restored the arrhythmic phenotype of mutant roots. These results indicate that the signals from the shoot apex can synchronize distal organs ( Takahashi et al. 2015). On the tissue level scale, it has been suggested that in leaf tissues, the vasculature and mesophyll clocks asymmetrically regulate each other ( Endo et al. 2014). It is therefore of interest to determine the importance of clock coupling between different tissues in local or separated organs, and what the underlying signals are.

Phytohormones and metabolites

Grafting has been a powerful tool to analyze the translocation of signal molecules. Here, we review some examples of molecules that were identified as mobile signals or as candidates, other than those already described in the above sections. In particular, we introduce examples of phytohormones and metabolites followed by examples of macromolecules.

In the original report regarding the micrografting method for A. thaliana ( Turnbull et al. 2002), graft-transmissible regulation of shoot branching was illustrated. Two mutants, max1 e max3, showed an increased branching phenotype, and the grafting between these mutant scions and wild-type stocks resulted in inhibition of shoot branching, even in the branching mutants. Together with previous grafting studies in the field pea Pisum sativum and petunia ( Beveridge et al. 1994, Napoli 1996), a root-derived mobile signal(s) was inferred to regulate shoot branching. Subsequent studies revealed that MAX1 e MAX3 play roles in strigolactone biosynthesis and that the mobile signal is strigolactone ( Gomez-Roldan et al. 2008, Umehara et al. 2008). After publication of the original methods paper, further studies using micrografting have provided evidence that other phytohormones and metabolites are transported systemically in plants, as discussed below.

Gibberellin. Gibberellin is also a long-distance signaling molecule. Ragni et al. (2011) illustrated the importance of gibberellin as a mobile signal in xylem expansion through micrografting experiments using a mutant of GIBBERELLIC ACID REQUIRING 1 (GA1), ga1-3, which showed a deficiency in gibberellin biosynthesis. ga1-3 shows a shrinkage of the xylem area, but grafting of the wild-type scion restored this defect in ga1-3 mutants, suggesting that shoot-derived gibberellin promoted xylem expansion. The gibberellin precursor, GA12, which is a biologically inactive form, was proposed as a mobile signal that regulates plant growth ( Regnault et al. 2015). Two different gibberellin-deficient mutants were used in the test, a mutant of Ent-kaurenoic acid oxidase (KAO), kao1 kao2, which impairs GA12 synthesis, and a mutant of GIBBERELLIN 20-OXIDASE (GA20OX), ga20ox1 ga20ox2 ga20ox3, which impairs catalysis of GA12 resulting in the deficiency of bioactive gibberellin synthesis ( Hedden and Thomas 2012). Both mutants showed dwarf phenotypes, but grafting between the wild-type stock and the kao1 kao2 scion could rescue the dwarf phenotype whereas grafting between the wild-type stock and the ga20ox1 ga20ox2 ga20ox3 scion could not ( Regnault et al. 2015). Because only the GA12 synthesis mutant could be rescued, only GA12 is considered a mobile gibberellin species.

Cytokinin (CK). CK species are thought to act as long-distance signals. Two types of CKs, iP type and tZ type, were detected in phloem sap and xylem sap, with the iP type being the major form for the phloem translocation stream and the tZ type for the xylem stream ( Takei et al. 2001, Corbesier et al. 2003). tZ-type CK is synthesized by Cyt P450 monooxygenases, CYP735A1 and CYP735A2, in the roots ( Kiba et al. 2013). The double mutants are phenotypically retarded in their growth and development. Grafted plants of a cyp735a1 cyp735a2 double mutant scion onto a wild-type rootstock restored the phenotype of the mutant shoot, which coincided with the restoration of tZ-type CK levels in the mutant shoot. This experiment indicates that root-derived tZ-type CK is sufficient for CK-controlled shoot growth and development. Ko et al. (2014) reported that ATP-binding cassette transporter subfamily G14 (ABCG14), which is expressed in the stele, is required for the root-to-shoot translocation of CK in A. thaliana. Compared with the xylem sap of a wild type, that of the abcg14 mutant contained a much lower amount of tZ-type CK. Grafting of an abcg14 mutant scion onto a wild-type rootstock again restored the dwarf phenotype of mutants, but the reverse grafting did not, indicating that xylem-mediated CK translocation from root to shoot promotes shoot growth.

ABA. Shoot-to-root translocation of ABA was reported to promote root growth in tomato and field pea under well-watered conditions ( McAdam et al. 2016). In both species, root ABA levels and root biomass dramatically decreased in grafted plants of an ABA-deficient mutant scion and a wild-type root. These data suggest that shoot-derived ABA regulates root biomass. Since ABA is a major factor in the reaction pathways for abiotic and biotic stresses ( Cutler et al. 2010), root growth and development might be comprehensively controlled via ABA, where various environmental signals are integrated.

Jasmonic acid (JA). JA is involved in wound response and is triggered by wounding such as insect damage and mechanical stimulus. The wound signal spreads systemically to induce the expression of defense genes in unwounded tissues ( Stratmann 2003). This systemic signaling has been well studied in tomato. Wounding induces the expression of defensive proteinase inhibitor (PI) genes ( Graham et al. 1986, Lee and Howe 2003). Several JA response-related tomato mutants, such as systemin-insensitive mutants, spr1 e spr2, acyl-coenzyme A oxidase 1 (acx1) e jasmonate-insensitive1 (jai1), were reported to be defective in the systemic induction of PI genes ( Li et al. 2002, Lee and Howe 2003, Li et al. 2005). Grafting experiments were performed using 4-week-old wild-type and spr1 mutant tomatoes where both the stock and the scion plants contained healthy leaves. A wild-type scion grafted onto an spr1 stock showed a reduction of PI expression when the leaves of the stock plant were wounded, compared with wild-type self-grafts. Reverse grafting showed a normal PI expression at the scion ( Lee and Howe 2003). The same held true for grafting using spr2 e acx1 mutants, and the results support the same scenario that Spr1, Spr2 e Acx1 are essential for the production of the systemic wound signal, but not for its perception ( Li et al. 2002, Li et al. 2005). In contrast, a grafting experiment using the jai1 mutant indicated that JAI1 was required for the perception of the systemic wound signal, but was not required for its production ( Li et al. 2002). JA accumulates in the vasculature in response to wounding ( Stenzel et al. 2003). Taken together, this indicates that JA is a systemic wound-induced signal that is transported through vascular tissues. In addition, other recent studies reported that JA-related systemic signaling pathways were also involved in the defense response ( Nahar et al. 2011, Zhu et al. 2014), so in this respect it would be important to determine the relationship between the JA pathway and defense signaling cascades, as described above.

Salicylic acid (SA). SA is a central component of systemic acquired resistance (SAR), together with the methylated derivative of SA, MeSA. SA was initially thought to be a mobile signal because it can be detected in phloem sap, and SA accumulation in both local and distal tissues is induced by a pathogen ( Métraux et al. 1990, Shulaev et al. 1995). However, data from grafting experiments using an SA-deficient mutant, where even mutant grafts can show SAR, goes against this hypothesis ( Vernooij et al. 1994, Smirnov et al. 1997). Recent advances in the SAR field have identified the SA derivative MeSA, a phosphorylated sugar glycerol-3-phosphate and other metabolites as mobile inducers of SAR (reviewed in Lucas et al. 2013).

Thiamine (vitamin B1). Thiamine plays important cofactor roles in metabolic processes. Martinis et al. (2016) reported that shoot-derived thiamine was essential for root growth. The phloem-localized thiamine transporter, polyamine uptake transporter 3 (PUT3), mediates thiamine translocation from the shoots to the roots. Grafting of the put3 mutant scion on the put3 stock still showed impaired root growth, whereas grafting of a wild-type scion onto the put3 stock restored proper root growth in the mutants, indicating the necessity of shoot-derived thiamine in the roots.

Macro moléculas

The systemic movement of macromolecules, including RNAs, peptides and proteins, has been widely demonstrated in plants as follows. Such RNA includes si/miRNAs (reviewed in Mlotshwa et al. 2002, Kehr and Buhtz 2007), tRNAs, long non-coding RNA such as rRNAs and spliceosomal RNAs ( Zhang et al. 2009), and mRNAs (reviewed in Notaguchi 2015, Ham and Lucas 2016). Grafting experiments have shown the long-distance mobility of such molecules. Here, we introduce the recent findings for (i) small RNAs (ii) mRNAs and (iii) peptide/proteins.

Small RNAs. Recent exhaustive analyses by microarrays or next-generation sequencing revealed that phloem sap contains various small RNAs, including siRNA and miRNA ( Buhtz et al. 2010, Molnar et al. 2010). siRNA/miRNA was thought to move systemically via the phloem and act as an informative molecule to regulate gene silencing, responses to the environment, nutrient allocation and development ( Mlotshwa et al. 2002, Kehr and Buhtz 2007). The gene silencing effect by siRNA was initially shown to be graft transmissible ( Molnar et al. 2010). Transcriptional gene silencing (TGS) can be induced by systemic siRNAs, which leads to transcriptional repression by DNA methylation through RNA-directed DNA methylation (RdDM) or the inactive state of chromatin. Bai et al. (2011) performed grafting experiments using the scion-expressing hairpin RNA of a part of the Cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter and the stock harboring the transgene (CaMV 35Sp::GFP) They demonstrated that this grafting resulted in GFP silencing in the roots. Here, the interesting notion was that the level of DNA methylation was increased at the 35S promoter in the roots, however the reverse grafting also showed GFP silencing at the shoots. When a DCL mutant, dcl3, was used as the siRNA donor tissue, the systemic translocation of TGS was not detected ( Melnyk et al. 2011). This result indicates that siRNAs derived from hairpin RNAs systemically spread through the graft union and induced TGS in the sites where siRNAs were transported. Further studies revealed the underlying mechanism of this RdDM pathway. DCL3 produces 24 nt siRNAs ( Qi et al. 2005) and the 24 nt siRNAs trigger RdDM ( Law and Jacobsen 2010). Lewsey et al. (2016) performed a genome-wide analysis of DNA methylation in the roots by shoot-derived mobile siRNAs and revealed that RdDM by mobile siRNAs was dependent on DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 1 (DRM1) and DRM2. DRM2 interacts with ARGONAUTE 4 (AGO4) in vivo ( Zhong et al. 2014). Taken together, the systemic TGS starts with 24 nt siRNA production by DCL3, and siRNAs are then translocated to the recipient tissues and loaded into AGO4. Subsequently, the complex including AGO4, 24 nt siRNA and DRM2 induces RdDM and establishes TGS at the target locus.

DNA methylation changes have been reported after interspecies grafting within the Cucurbitaceae ( Avramidou et al. 2015) and Solanaceae ( Wu et al. 2013, Kasai et al. 2016). The same scenario was true for intraspecies grafting using A. thaliana accessions, where the grafting of C24 and Col-0 showed DNA methylation changes ( Lewsey et al. 2016), demonstrating consequential epigenetic modifications taking place between cultivars by grafting. These studies suggest that a scion has the potential to give a useful trait to the stock by changing its epigenetic state, and vice versa. The partial use of transgenic plants will further enhance the opportunity to apply this TGS in practical non-transgenic cultivars in the field.

mRNAs. In contrast to small RNAs, the biological role of mobile mRNAs is still largely unknown. The fusion transcript of a β-subunit of pyrophosphate fructose-6-phosphate 1 phosphotransferase and knotted1-like homeobox genes in tomato was the first reported instance of a graft-transmissible signal that caused a morphological change ( Kim et al. 2001). Recent studies of mobile mRNAs through genome-wide next-generation sequencing analyses revealed hundreds to thousands of mRNAs that were transmissible in the case of parasitism or grafting ( Kim et al. 2014, Notaguchi et al. 2015, Thieme et al. 2015, Yang et al. 2015). In our previous investigation, no preferred transcript length and no previously known sequence motifs were found in the population of mobile mRNAs. Further, the transcript level seems not to correspond to that in the source leaves ( Notaguchi et al. 2015). Thieme et al. (2015) indicated that the mobile transcripts correspond to highly expressed genes, especially for the RNAs transported from root to shoot. Calderwood et al. (2016) further examined the data generated by Thieme et al. (2015) and suggested that the majority of identified mobile transcripts could account for the transcript abundance and half-life. The authors proposed that most of the transcripts identified as mobile RNAs may be transported without selection. These findings evoke an insight that the phloem-based symplasmic translocation stream could have some level of leakage for the selection of cargoes. A similar representation for mobile proteins in grafting conditions was recently done by Paultre et al. (2016). The grafting experiments using plants expressing nucleus-localized GFP, actin–GFP and GFP fused to transit peptides of chloroplasts and peroxisomes showed that such organelle retention signals were not enough to prevent their protein translocations. On the other hand, GFP fused to signals directing proteins to the endoplasmic reticulum and Golgi apparatus were not translocated ( Paultre et al. 2016).

In addition, it is important to consider the artificial effect that grafting itself may have in such experiments. For instance, Yang et al. (2015) reported that the number of grapevine mobile mRNAs of mature grafts 11 years after grafting were fewer than that of young in vitro grafts 1 month after grafting. This could be due to differences in growth stage and growth environments or may reflect the stability of the graft union. In the meantime, many studies using truncated or fusion constructs have provided concrete data to show the existence of a regulatory system for mobile mRNAs ( Banerjee et al. 2009, Huang and Yu 2009, Thieme et al. 2015, Zhang et al. 2016). A recent advance was made by Zhang et al. (2016) who reported that tRNA-like structures enriched in the population of graft-mobile mRNAs were sufficient to mediate mRNA mobility. To address the biological meaning of mobile mRNAs further, secondary criteria to narrow down the candidate transcripts with true biological roles are required. One possible idea is to focus on those only induced by specific environmental conditions, as tested by Thieme et al. (2015). In principle, systemic signals should transmit information from the site of reception to the responsive sites. Hence, local environmental cues are good targets to study. Many environmental parameters surrounding plants are in fact heterogeneous and input locally.

Peptides/proteins. As described above, the essential roles of mobile peptides/proteins have been explored through grafting experiments over the last 10 years as information signals generated in response to external environments. More recently, a large-scale identification of mobile peptides/proteins was performed. A xylem sap analysis in soybean identified secreted oligopeptides that were transported from root to shoot via the xylem ( Okamoto et al. 2015). Similarly, phloem sap analyses have long been performed in various plant species whereby hundreds of proteins have been identified (reviewed in Lucas et al. 2013, Notaguchi and Okamoto 2015). A study that focused more on the mobility of transcription factors (TFs) was done by Rim et al. (2011), where a series of fluorescent protein-fused TFs were expressed in cortical and endodermal root cells and their mobility tested. Of the 76 TFs tested, 22 TFs belonging to 17 TF families showed several different non-cell-autonomous patterns in root tips. Similar results were obtained by Lee et al. (2006), and these experiments indicate the potential roles of TFs to co-ordinate events between tissues in a systemic manner. Thus, similar comprehensive studies will further unveil other mechanisms of mobile peptide/protein signals in plants.


Cloning in Plants and Animals

Clones – genes, cells or whole organisms that carry identical genetic material because they are derived from the same original DNA.

Reproductive cloning generates Geneticamente idênticos organismos.

Non-reproductive cloning generates cells, tissues and organs – can replace those damaged by diseases or accidents.

o advantages of using cloned cells include:

  • Células won’t be rejected as they’re genetically identical to an individual’s own cells.
  • Prevent waiting fordonor organs to become available for transplant.
  • Cloned cells can be used to generate any cell type because they are totipotente. Damage caused by some diseases and accidents cannot currently be repaired by transplantation or other treatments.
  • Using cloned cells is less likely to be dangerous than a major operation such as a heart transplant.

There are many possibilities for non-reproductive cloning, including:

  • The regeneration of heart muscle cells following a ataque cardíaco.
  • The repair of the tecido nervoso destroyed by diseases such as esclerose múltipla.
  • Repairing the medula espinhal of those paralysed by an accident that results in a broken back or neck.

These techniques are often referred to as therapeutic cloning. However, there are some ethical issues concerning whether cloning should be used in humans. Existem ethical objections to the use of human embryonic material and some scientific concerns about a lack of understanding of how cloned cells will behave over time.

  • describe the production of natural clones and in plants using the example of vegetative propagation in elm trees

Natural Vegetative Propagation:

Vegetative propagation is form of reprodução assexuada of a plant. Only one plant is involved and the offspring is the result of one parent. The new plant is Geneticamente idênticos to the parent.

  1. Runners – stems that grow horizontalmente above the ground. They have nós Onde buds are formed, which grow into a new plant, e.g. strawberries and spider plant.
  2. Tubers – new plants will grow out of swollen modified roots called tubers. Buds develop at the base of the stem and then grow into new plants, e.g. potato and daliahs.
  3. Bulbs – a bulb contains an underground stem, with leaves containing stored food At the centre of the bulb is an apical bud, which produces sai e flowers. Also attached are lateral buds, which produces new shoots, e.g. daffodils.
  4. Basal sprouts (root suckers) – the suckers grow from meristem tissue in the trunk close to the ground, where least damage is likely to have occurred, e.g. elm trees and mint. Root suckers help the elm spread, because they can grow all around the original trunk. When the trunk dies, the suckers grow into a círculo of new elms called a clonal patch. This, in turn, puts out new suckers so that the patch keeps Expandindo as far as resources permit.

Artificial Vegetative Propagation:

  • Taking Cuttings – e.g. geraniums, a section of the stem is cut between leaf joints (nodes). o cut end of the stem is then often treated with plant hormones para encourage root growth, and planted. The cutting forms a new plant, que é um clone of the original parent plant.
  • Grafting – e.g. fruit tree or rosebush, a rootstock is cut to match the wedge-shaped stem to be grafted. The vascular tissue is lined up então binding is wrapped aroundthe graft area para hold it in place until growth supports the grafted section. The graft grows and is genetically identical to the parent plant, but the rootstock is genetically different.
  • Using Tissue Culture – used in order to generate huge numbers of genetically identical plants successfully from a very small amount of plant material. The most common method used in the large-scale cloning of plants is micropropagation, e.g. orchids.

Totipotent – stem cells capable of differentiating into any type of adult cell found in the organism.

In animals, only embryonic cells are naturally capable of going through the stages of development in order to generate a new individual. Essas células são totipotente stem cells and they are capable of differentiating em any type of adult cell found in the organism. There are two methods of artificially cloning animals:

Method 1: Splitting Embryos

Cells from a developing embryo can be separated out, with each one then going on to produce a separate, genetically identical organism.

  1. Collect eggs from a high-value female (e.g. high milk yield in cows) and collect sperm from a high-value male.
  2. In vitro fertilisation occurs between the eggs and the sperm.
  3. Grow the in vitro to a 16-cell embryo.
  4. Split the embryo into several separate segments and implant into surrogate mothers.
  5. Each calf produced is a clone.

Method 2: Nuclear Transfer

A differentiated cell from an adult can be taken, and its nucleus placed in an egg cell which has had its own nucleus removed (enucleated cell). The egg then goes through the stages of development using genetic information from the inserted nucleus. The first animal cloned by this method was Dolly the sheep in 1996, which was successful after 277 attempts.