Physiology of tuber development and stolon architecture
Authors: Ρουμελιώτης Ευστάθιος 
Published: December 2024

Η πατάτα (Solanum tuberosum) αποτελεί ένα από τις πιο σημαντικές καλλιέργειες. Έχει μεγάλη διατροφική αξία για τον άνθρωπο και χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία για διάφορες εφαρμογές. Ανάμεσα στα αγροτικά προϊόντα, η πατάτα κατατάσσεται στην 7η θέση με παγκόσμια αξία που ξεπερνά τα 44 δισεκατομμύρια δολάρια. Το βρώσιμο μέρος της πατάτας είναι ο κόνδυλος που αναπτύσσεται στις άκρες των ξεθωριασμένων βλαστών, οι οποίοι ονομάζονται столоνοι (stolons). Μελέτες της φυσιολογίας της έναρξης της ανάπτυξης των κονδύλων αποκάλυψαν το ρόλο των γιββερελλινών (GAs) σε αυτή τη διαδικασία. Τα γονίδια αποδόμησης των GAs αυξάνονται σε έκφραση πριν από το ορατό πρήξιμο και τα επίπεδα GA μειώνονται γρήγορα στα αρχικά στάδια της επαγωγής των κονδύλων. Μια πιο λεπτομερής διερεύνηση του προτύπου έκφρασης των γονιδίων κατά τα αρχικά στάδια της ανάπτυξης των κονδύλων με χρήση ενός microarray chip, παρείχε νέες γνώσεις σχετικά με τα γονίδια που σχετίζονται με τις φυτοορμόνες και εμπλέκονται στην έναρξη και την ανάπτυξη των κονδύλων. Αρκετά γονίδια που σχετίζονται με τις αυξίνες έδειξαν διαφορετικό μοτίβο έκφρασης, υποδεικνύοντας ότι οι αυξίνες μπορεί να εμπλέκονται στην οργανογένεση των κονδύλων.Η αυξίνη είναι μια από τις πιο σημαντικές και καλά μελετημένες φυτοορμόνες, με ρόλο σε πολλά αναπτυξιακά γεγονότα, όπως ο σχηματισμός εμβρύων των σπόρων, η διακλάδωση των βλαστών και ο σχηματισμός δευτερευόντων ριζών. Σε πολλές από αυτές τις περιπτώσεις, οι αλλαγές στον άξονα διαίρεσης των κυττάρων που μεσολαβούνται από τις αυξίνες αποτελούν ένα σημαντικό χαρακτηριστικό για την ανάπτυξη των οργάνων. Σε αυτή τη διατριβή προσπαθούμε να διαλευκανθεί ο ρόλος της αυξίνης και του συνέταιρού της στη διακλάδωση, των στριγολακτονών (SLs), στην έναρξη και την ανάπτυξη των κονδύλων. Επιπλέον, μελετάμε τους φυσιολογικούς μηχανισμούς που ρυθμίζουν τη διακλάδωση των στολώνων και την επίδραση των αλλαγών στον μηχανισμό διακλάδωσης στον αριθμό και την απόδοση των κονδύλων. Επιπλέον, μελετάμε την επίδραση της αλλαγής του περιεχομένου σε GA στη διακλάδωση των στολών, την ανάπτυξη των κονδύλων και την απόδοση. Στο πρώτο κεφάλαιο, συζητάμε τη σημασία της καλλιέργειας της πατάτας και εισάγουμε τις αυξίνες, τις SLs και τις GAs, τις οδούς βιοσύνθεσης τους και τους αντίστοιχους ρόλους τους στην ανάπτυξη των φυτών. Επιπλέον, συζητάμε τους μηχανισμούς που μεσολαβούν στη διακλάδωση των βλαστών και τους παράγοντες που ρυθμίζουν την έναρξη της ανάπτυξης των κονδύλων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, χρησιμοποιήσαμε διάφορες προσεγγίσεις για να διερευνήσουμε το ρόλο της αυξίνης στην έναρξη και την ανάπτυξη των κονδύλων. Οι εφαρμογές αυξίνης αναστέλλουν την έναρξη της ανάπτυξης κονδύλων in vitro όταν η IAA ανανεώνεται στο μέσο καλλιέργειας. Από την άλλη πλευρά, όταν παρέχεται μια δόση αυξίνης στα in vitro εκφυλίσματα, ο ρυθμός κονδυλοποίησης αυξάνεται. Μετρήσεις του περιεχομένου αυξίνης στις άκρες των στολών in vivo αποκάλυψαν ότι το περιεχόμενο αυξίνης κορυφώνεται λίγο πριν από το πρήξιμο του κονδύλου. Επιπλέον, μελέτες έκφρασης γονιδίων βιοσύνθεσης αυξίνης έδειξαν ότι τουλάχιστον ένα γονίδιο τύπου YUC, το οποίο πιθανώς εμπλέκεται στη βιοσύνθεση αυξίνης, έχει ένα πίκο έκφρασης πριν από την αύξηση του περιεχομένου IAA. Δοκιμές μεταφοράς ραδιενεργού IAA έδειξαν ότι η αυξίνη μεταφέρεται πολικά από την άκρη του στολόνου στο βασικό τμήμα του. Αυτό το εύρημα υποδεικνύει ότι η αυξίνη συντίθεται στην άκρη του στολόνου. Επιπλέον, η εφαρμογή SLs στο σύστημα κονδυλοποίησης in vitro ανέστειλε έντονα την κονδυλοποίηση, και οι μετρήσεις του περιεχομένου στριγολακτονών σε in vivo φυτά αποκάλυψαν ότι τα φυτά πατάτας είναι ικανά να παράγουν SLs. Συνολικά, αυτά τα δεδομένα υπογραμμίζουν έναν ρόλο για την αυξίνη στην ανάπτυξη των κονδύλων και μας βοήθησαν να περιγράψουμε έναν μηχανισμό για τη διακλάδωση των στολών ανάλογο με τον έλεγχο της διακλάδωσης των υπέργειων βλαστών.Ένα προηγούμενο πείραμα με τσιπ μικροσυστοιχιών σε στάδια ανάπτυξης κονδύλων πατάτας είχε αποκαλύψει ότι τουλάχιστον δύο γονίδια τύπου PIN είχαν μια αυξηση της έκφρασης στα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης του κονδύλου. Στο κεφάλαιο τρία, ταυτοποιούμε δέκα μέλη της οικογένειας γονιδίων PIN στην πατάτα βάσει ομοιότητας αλληλουχίας με γνωστά γονίδια PIN. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα RNA-seq που δημιουργήθηκαν εντός του έργου αλληλούχισης της πατάτας, διερευνούμε το πρότυπο έκφρασης της οικογένειας PIN σε διάφορους ιστούς της πατάτας. Χρησιμοποιώντας τα στάδια ανάπτυξης του κονδύλου όπως περιγράφονται στο κεφάλαιο δύο, διερευνήσαμε το πρότυπο έκφρασης της οικογένειας γονιδίων PIN στα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης του κονδύλου. Κλωνοποιήσαμε τις περιοχές προαγωγέα των StPINV και StPINVII και τις χρησιμοποιήσαμε σε κατασκευάσματα GUS που οδηγούνται από προαγωγέα, προκειμένου να απεικονίσουμε τις θέσεις έκφρασης αυτών των δύο γονιδίων PIN σε διάφορους ιστούς του φυτού της πατάτας, όπως άνθη, ρίζες και πρησμένες άκρες στολών. Τέλος, συνδυάζουμε τα αποτελέσματα των κεφαλαίων δύο και τρία για να συζητήσουμε το ρόλο της κατανομής της αυξίνης στην έναρξη και την ανάπτυξη του κονδύλου.Οι γιββερελλίνες (GAs) είναι μια ομάδα φυτοορμονών γνωστών για την εμπλοκή τους στην έναρξη της ανάπτυξης των κονδύλων. Στο κεφάλαιο τέσσερα, αναφέρουμε την κλωνοποίηση του StGA3ox2 και τη χρήση αυτού του γονιδίου σε κατασκευή RNAi για την αποσιώπηση της έκφρασής του στην πατάτα. Το StGA3ox2 είναι γνωστό ότι εμπλέκεται στην αποικοδόμηση των ενεργών μορφών των GAs σε ανενεργές. Τα φυτά StGA3ox2 RNAi παρουσίασαν μικρότερο μήκος βλαστών, μικρότερο μέγεθος φύλλων και μικρότερο μέσο βάρος κονδύλων, λόγω του αυξημένου αριθμού κονδύλων ανά φυτό. Προσδιορίστηκε επίσης το περιεχόμενο διαφόρων GAs, καθώς και η έκφραση των γονιδίων βιοσύνθεσης και αποικοδόμησης GA στους τροποποιημένους κλώνους, αποκαλύπτοντας αλλαγές στις μεταβολικές ροές των οδών GA λόγω της αποσιώπησης της έκφρασης του StGA30x2. Τέλος, συζητάμε τα αποτελέσματά μας σε σχέση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία σχετικά με το ρόλο των GA στην έναρξη της ανάπτυξης των κονδύλων, τη δομή των στολών και την ανάπτυξη των κονδύλων. Στο κεφάλαιο πέντε, διερευνήσαμε το ρόλο του γονιδίου StYUC-like1 στην έναρξη και την ανάπτυξη των κονδύλων. Το StYUC-like1 διαπιστώθηκε ότι έχει μια κορύφωση της έκφρασης κατά την επαγωγή του κονδύλου και πριν από το πρήξιμο του κονδύλου στα στάδια ανάπτυξης του κονδύλου από το κεφάλαιο δύο. Το StYUC-like1 κλωνοποιήθηκε σε φορέα υπερέκφρασης CaMV35S και μετασχηματίστηκε σε φυτά πατάτας. Οι μετασχηματισμένοι κλώνοι παρουσίασαν αυξημένη διακλάδωση βλαστών και στολώνων, αυξημένο σχηματισμό πλευρικών ριζών και μειωμένο μέσο βάρος κονδύλων λόγω του αυξημένου αριθμού κονδύλων ανά φυτό. Επιπλέον, ένας από τους μετασχηματισμένους κλώνους παρουσίασε φαινότυπο σχισμένου κονδύλου. Οι μετρήσεις του περιεχομένου IAA στους μετασχηματισμένους κλώνους αποκάλυψαν ότι οι μετασχηματισμένοι κλώνοι είχαν λιγότερη αυξίνη στο βασικό στέλεχος, παρέχοντας εξήγηση για τον παρατηρούμενο φαινότυπο που είναι συνεπής με τους φαινοτύπους με χαμηλότερο περιεχόμενο αυξίνης. Επιπλέον, συζητάμε το ρόλο της βιοσύνθεσης της αυξίνης στη διακλάδωση των στολών και τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζει τον αριθμό των κονδύλων που παράγονται.Στο κεφάλαιο έξι, συνοψίζουμε τα σημαντικότερα αποτελέσματα αυτής της διατριβής. Συζητάμε το ρόλο της αυξίνης στην ανάπτυξη του κονδύλου με βάση την κορύφωση του περιεχομένου αυξίνης και τη πιθανή αλληλεπίδραση με τα GA για τη ρύθμιση της έναρξης και της ανάπτυξης του κονδύλου. Επιπλέον, απεικονίζουμε ένα μοντέλο μεσολαβούμενο από την αυξίνη, παρόμοιο με αυτό που υπάρχει στους βλαστούς, το οποίο ελέγχει τη διακλάδωση των στολών. Επιπλέον, συζητάται η επίδραση της τροποποιημένης περιεκτικότητας σε GA και IAA στον αριθμό των κονδύλων και στην απόδοση των κονδύλων. Τέλος, παρουσιάζουμε τις μελλοντικές προοπτικές της έρευνας σχετικά με την έναρξη και την ανάπτυξη του κονδύλου, καθώς και από αγρονομική άποψη.