Increased tomato (Solanum lycopersicum L.) tolerance to sub-optimal
temperature (T) through grafting onto cold-tolerant rootstocks could extend the growing
period in the field and in unheated greenhouses, and reduce energy costs in heated
greenhouses. Phytohormones seem to be involved in the tolerance of tomato to suboptimal T stress. Hence, the selection of rootstock/scion combinations with enhanced
tolerance to sub-optimal T requires a better understanding of the root-to-shoot interactions with respect to hormonal transport and signaling. To attain this goal, six trials were conducted employing reciprocal grafting of standard tomato cultivars and
mutants that are deficient in the biosynthesis/catabolism of abscisic acid (ABA),
cytokinin (CK) or salicylic acid (SA), or exhibit low sensitivity to ethylene (ET) or auxin (IAA). The exposure of tomato to sub-optimal day/night T (17/14 °C) decreased
drastically the rates of shoot elongation and leaf area expansion in all trials in
comparison with optimal day/night T levels (22/18 °C). With respect to the genetic
combination of rootstock and scion genotypes, it was found that ABA produced in both
plant parts exerts a protective role on tomato shoot growth under sub-optimal T stress,
while the contribution of ABA was only partially reflected by leaf ABA levels. The use
of an ET-insensitive genotype either as rootstock or as scion also improved suboptimal
T
tolerance.
Sufficient IAA sensitivity in tomato shoot seems to be positively
related to shoot elongation rates under sub-optimal T conditions. The use of a mutant
with enhanced CK catabolism either as rootstock or as scion restricted leaf expansion at
optimal T but had no impact on leaf expansion under sub-optimal T conditions.
Impaired SA biosynthesis in the shoot was associated with a higher susceptibility to
sub-optimal T in terms of shoot elongation, whereas leaf expansion was similarly
affected by SA biosynthesis at both T regimes. In conclusion, ABA seems to enhance
tomato tolerance to sub-optimal T and indirectly control endogenous ET levels, while
increased levels of IAA and SA in the shoot promote shoot elongation in tomato plants
grown under sub-optimal T conditions.
To further elucidate the role of abscisic acid (ABA) in tomato responses to suboptimal
root
temperature
(T),
a
near-isogenic
line carrying the ‘notabilis’ null mutation
in the ABA biosynthesis gene LeNCED1 was reciprocally grafted with its parental
cultivar Ailsa Craig. Exposure of tomato to sub-optimal root T (15
o
C) decreased leaf
11
area expansion, shoot elongation and plant biomass in comparison with optimal root T
(25
o
C). Both sub-optimal root T and null mutation of the LeNCED1 gene in the root
and shoot reduced leaf area and total plant biomass, but these two factors did not
interact. Transpiration rates and stomatal conductance decreased, while net CO
assimilation was not influenced by root exposure to sub-optimal T. However, ‘notabilis’
scions exhibited higher net assimilation rates, stomatal conductance and transpiration
rates than ‘Ailsa Craig’ scions. Moreover, ‘notabilis’ plants invested much more
biomass in the root than ‘Ailsa Craig’ self-grafts, thereby improving their water uptake
capacity. Lipid peroxidation as well as polyamines and guaiacol-peroxidase (G-POD),
which are considered to possess antioxidant properties, increased in the leaves of all
grafting combinations of tomato when exposed to sub-optimal root T. All grafting
combinations showed an increase in shoot ABA levels when exposed to sub-optimal
root T. However, the levels of ABA in the shoot of ‘notabilis’ did not differ
significantly from those found in ‘Ailsa Craig’, indicating that inactivation of LeNCED1
did not impair ABA accumulation in the leaves at low root-zone T. The genes
LeNCED2 and LeNCED6 were not up-regulated at low root-zone T and were therefore
not responsible for ABA biosynthesis in ‘notabilis’. Increased ABA levels in tomato
exposed tο sub-optimal root T were associated with elevated levels of the polyamine
putrescine which contributes to ABA biosynthesis. In conclusion, the introgression in
‘Ailsa Craig’ that contains the mutation resulting from inactivation of the LeNCED1
gene includes further genetic differences that influence responses to sub-optimal rootzone
T, such
as
plant
growth
restriction
and ROS
scavenging
modification.
The accession ‘LA 1777’ of Solanum habrochaites S. Knapp and D.M. Spooner,
a wild relative species of tomato, is of particular interest as a potential germplasm
source to widen the genetic variation of the cultivated tomato in low temperature
tolerance. However, the hypothesis that ‘LA 1777’ is able to alleviate low-temperature
stress when grafted onto different scions is based only on vegetative growth data
obtained from short-term experiments, while data from long-term experiments
indicating a positive relationship between grafting onto ‘LA 1777’ and tomato fruit
yield have not been reported so far. Thus, a third experiment was designed to test the
hypothesis that using wild relatives of S. lycopersicon as rootstocks, characterized by a
vigorous root system and tolerance to sub-optimal T, may minimize yield losses in elite
cultivars of grafted tomato when exposed to sub-optimal T. In particular, tomato
(Solanum lycopersicum L. cv. Kommeet) plants were either self-grafted, grafted onto
12
2
the cold-sensitive hybrid ‘Moneymaker’ or onto ‘LA 1777’, a cold-tolerant accession of
Solanum habrochaites. The plants were grown at three different air/root-zone
temperatures (T): optimal (19.4
o
C), intermediate (17
o
C) or low (14.6
o
C) both the latter
considered being different degrees of sub-optimal temperature. Grafting tomato cv.
‘Kommeet’ onto ‘LA 1777’ increased shoot growth at intermediate and optimal T, and
root growth at low or intermediate T in comparison with self-grafting or grafting onto
‘Moneymaker’. Reducing T significantly suppressed fruit yield due to a reduction in the
number of fruit per plant, without interacting with the grafting treatments. Grafting
‘Kommeet’ onto ‘LA 1777’ remarkably restricted fresh and dry fruit mass in
comparison with self-grafting of ‘Kommeet’, due to a reduction in the fruit number per
plant while not influencing flower number per plant and mean fruit mass, regardless of
T regime. The negative effect of ‘LA 1777’ on fruit set when used as tomato rootstock
points to the impairment of pollen fertility through signals originating from the root. At
sub-optimal T, the plants grafted onto ‘LA 1777’ were capable of increasing soluble
carbohydrates, total amino acids (TAAC), and guaiacol peroxidase (GPOD) activity in
the roots to higher levels than those grafted onto S. lycopersicum rootstocks, while
maintaining an appreciably lower malondialdehyde content. These differences point to a
much weaker oxidative stress in the roots of plants grafted onto ‘LA 1777’ than in those
grafted onto S. lycopersicum when exposed to sub-optimal T. Furthermore, the plants
grafted onto ‘LA 1777’ exhibited significantly higher levels of soluble carbohydrates,
TAAC, and GPOD activity in leaves, and fruit and SOD in fruit at sub-optimal T, which
indicates that ‘LA 1777’ is capable of improving the levels of antioxidant compounds in
the shoot of tomato, thereby improving its adaptation to lower T than optimal.
An alternative strategy to increase tomato tolerance to sub-optimal T is to
develop tolerant rootstocks and graft elite cultivars onto them. To attain this goal, a
better understanding of adaptive mechanisms to sub-optimal T, associated with root
functions and root-to-shoot signaling through hormonal messengers, is needed. Taking
the above into consideration, in a heated glasshouse at the Leibniz-Institute of
Vegetable and Ornamental Crops, Großbeeren, Germany, the commercial tomato
cultivar ‘Kommeet’ was grafted onto the tomato cv. Moneymaker (sensitive) or onto the
line accession ‘LA 1777’ of the wild tomato species S. habrochaites (tolerant). Selfgrafted
tomato plants were used as controls. Grafting was performed when seedlings
had developed 3-4 true leaves. Grafted tomato plants were grown in an NFT system
with re-circulating nutrient solution differing in root temperature (T), which was either
13
optimal (day and night 25±0.6
°
C) or sub-optimal (day and night 15±0.4
C) while the
air the air T was optimal (day and night 25±0.6
°
C) throughout the experiment. After 30
days, leaf and root samples were collected and the differences in growth, physiology
and global gene expression in the roots and leaves of all grafting combinations under
both sub- and optimal root T were further investigated. Comparative transcriptome
analysis identified no genes in the leaves of ‘Kommeet’ grafted onto ‘LA 1777’, while
in the leaves of ‘Kommeet’ grafted onto ‘Moneymaker’ 361 differentially expressed
genes were annotated. On the other hand 1509 and 2036 sub-optimal root T-responsive
genes were identified in the roots of ‘LA 1777’ and ‘Moneymaker’ rootstocks,
respectively. In the present study the up-regulation of many genes associated with cell
wall synthesis in the tolerant genotype were related to the increased root:shoot ratio and
the upward transport capacity of water and nutrients. In addition, changes in root
phytohormone production due to sub-optimal root T affected root-to-shoot hormone
signaling only in the sensitive genotype by causing hormonal imbalances in the scion.
These results provide new insights into the molecular mechanisms of sub-optimal T
tolerance of tomato by evaluating genes controlling biochemical pathways and
physiological procedures that are related to ‘LA 1777’. The knowledge acquired
through the research conducted in this thesis could be utilized to establish biomarkers to
screen not only wild tomato genotypes serving as rootstocks, but also rootstock/scion
combinations potentially tolerant to sub-optimal T
Στις Μεσογειακές χώρες όπως η Ελλάδα, τα περισσότερα θερμοκήπια με
κηπευτικά δεν θερμαίνονται τον χειμώνα, με αποτέλεσμα φυτά όπως η τομάτα να καλλιεργούνται σε θερμοκρασίες κυμαινόμενες μεταξύ των δυο ορίων, χαμηλής (≥12
°C) και αρίστης (≤20 °C). Οι επιδράσεις της έκθεσης της τομάτας σε αυτά τα οριακά χαμηλά επίπεδα θερμοκρασιών (13 – 19oC) είναι ιδιαίτερα δυσμενείς στην ανάπτυξη
και την παραγωγή των φυτών. Ωστόσο, το εύρος της μείωσης της ανάπτυξης και της
παραγωγής εξαρτάται από την γονοτυπική ανοχή των φυτών στην έκθεση τους στις
συγκεκριμένες συνθήκες. Είναι προφανές ότι η καλλιέργεια γονοτύπων υψηλής
παραγωγικότητας με αυξημένη ανοχή σε οριακά χαμηλά επίπεδα θερμοκρασιών
δύναται να οδηγήσει τόσο στη μείωση του κόστους των καυσίμων στα θερμοκήπια, με
αντίστοιχη εξοικονόμηση ενέργειας, όσο και στην επιμήκυνση της καλλιεργητικής
περιόδου και στην πρωϊμιση της παραγωγής στις υπαίθριες καλλιέργειες.
Η δημιουργία νέων ποικιλιών ή υβριδίων τομάτας με ανοχή σε οριακά χαμηλές
θερμοκρασίες δεν είναι αντικειμενικά εφικτή, λόγω της χαμηλής γενετικής
ποικιλομορφίας των υπαρχόντων γενοτύπων σε αυτό το γενετικό χαρακτηριστικό.
Ωστόσο, μια εναλλακτική και φιλική προς το περιβάλλον τεχνική, αυτή του
εμβολιασμού, θα μπορούσε να οδηγήσει στην επιθυμητή διεύρυνση των ορίων ανοχής
των φυτών σε συνθήκες οριακά χαμηλών θερμοκρασιών. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν
καταστεί δυνατή η επιλογή ή δημιουργία συμβατών υποκειμένων με αυξημένη ανοχή
σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες, τα οποία προφανώς ως αυτόρριζα φυτά δεν
χρειάζεται να δίνουν υψηλή παραγωγή και ποιότητα καρπών. Για να καταστεί όμως
δυνατή σε σύντομο χρόνο η επιλογή ή η δημιουργία μέσω γενετικής βελτίωσης
υποκειμένων εμβολιασμού με αυξημένη ανοχή σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες,
απαιτείται η κατανόηση των μηχανισμών που υπεισέρχονται στην ανοχή των φυτών σε
αυτές τις συνθήκες, καθώς και του τρόπου με τον οποίο σχετίζονται αυτοί οι
μηχανισμοί με την ανάπτυξή τους. Ένας από τους σημαντικότερους μηχανισμούς με
τον οποίο το υποκείμενο ασκεί επιρροή στο εκάστοτε εμβόλιο, καθορίζοντας με αυτόν
τον τρόπο τα επίπεδα ανοχής του τελευταίου σε διάφορους παράγοντες καταπόνησης,
αποτελεί η επαγωγή διαφοροποίησης στην ακροπεταλική και βασιπεταλική μεταφορά
μεταβολιτών μέσω ορμονικών αγγελιοφόρων. Η καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού
αυτού μπορεί να οδηγήσει στην επιλογή του καταλλήλου συνδυασμού
15
υποκειμένου/εμβολίου που δύναται να προσδώσει αυξημένη ανοχή σε συνθήκες
χαμηλών θερμοκρασιών.
Προκειμένου λοιπόν να μελετηθεί αυτός ο μηχανισμός, αρχικά διεξήχθησαν έξι
παράλληλα επιμέρους πειράματα στο πλαίσιο μίας ενιαίας πειραματικής εργασίας. Στην
πρώτη αυτή πειραματική εργασία χρησιμοποιήθηκαν φυτά από τέσσερις διαφορετικές
ποικιλίες τομάτας, καθεμία από τις οποίες εμβολιάστηκε στην αντίστοιχη
μεταλλαγμένη (ισογονιδιακή) της ποικιλία και αντίστροφα, ενώ παράλληλα
πραγματοποιήθηκε και αυτοεμβολιασμός των εκάστοτε ζευγών ποικιλιών (κανονικής
και μεταλλαγμένης). Για τις δύο από τις τέσσερις ποικιλίες τομάτας υπήρχαν δύο
διαφορετικά μεταλλαγμένες ποικιλίες και συνεπώς συνολικά δοκιμάσθηκαν έξι
μεταλλαγμένες ποικιλίες και ειδικότερα μία σε καθένα από τα έξι επιμέρους πειράματα.
Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που διαφοροποιούσε τις έξι συνολικά μεταλλαγμένες
ποικιλίες συνίστατο είτε στην αδυναμία αυτών να βιοσυνθέσουν/καταβολίσουν
αμπσισικό οξύ (ΑΒΑ) ή κυτοκινίνη (CK) ή σαλικυλικό οξύ (SA), είτε στην μειωμένη
ευαισθησία τους στο αιθυλένιο (ET) ή την αυξίνη (ΙΑΑ), με αποτέλεσμα την παραγωγή
χαμηλών ενδογενών επιπέδων της εκάστοτε ορμόνης ή την χαμηλή ανταπόκριση στην
παρουσία της. Για το ABA υπήρχαν δύο διαφορετικές μεταλλαγές που κατέστειλαν την
βιοσύνθεσή του. Όλα τα πειράματα έδειξαν ότι η έκθεση της τομάτας σε χαμηλές
θερμοκρασίες ημέρας/νύχτας T (17/14 °C), μειώνει δραστικά τον ρυθμό επιμήκυνσης
των βλαστών, συγκρινόμενη με τον αντίστοιχο ρυθμό σε κανονικές συνθήκες
θερμοκρασίας ημέρας/νύχτας (22/18 °C). Η μελέτη των επιπτώσεων των διαφορετικών
γενετικών συνδυασμών ρίζας και υποκειμένου έδειξε ότι η παραγωγή ΑΒΑ τόσο στα
φύλλα όσο και στις ρίζες ασκεί προστατευτικό ρόλο στην ανάπτυξη των φυτών κάτω
από συνθήκες καταπόνησης χαμηλών θερμοκρασιών, παρά το γεγονός ότι η συμβολή
αυτή του ΑΒΑ στην συγκεκριμένη καταπόνηση αντικατοπτρίζεται εν μέρει μόνο από
τα επίπεδα του ABA στα φύλλα. Επιπλέον, η χρήση του γονότυπου με κανονική
ευαισθησία στην παραγωγή ενδογενούς αιθυλενίου είτε ως υποκειμένου είτε ως
εμβολίου αύξησε επίσης την ανοχή στην καταπόνηση σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες
σε σύγκριση με την μεταλλαγμένη ποικιλία με μειωμένη ευαισθησία στο ΕΤ. Επαρκής
ποσότητα ενδογενούς αυξίνης στο υπέργειο μέρος φυτών τομάτας φαίνεται ότι
συσχετίζεται θετικά με το ρυθμό ανάπτυξης αυτού σε συνθήκες καταπόνησης λόγω
οριακά χαμηλών θερμοκρασιών. Η χρήση της μεταλλαγμένης ποικιλίας που
παρουσιάζει αυξημένο καταβολισμό κυτοκινίνης, είτε ως εμβόλιο είτε ως υποκείμενο,
περιόρισε την επιμήκυνση των φύλλων υπό κανονικές συνθήκες ανάπτυξης, ενώ η Στις Μεσογειακές χώρες όπως η Ελλάδα, τα περισσότερα θερμοκήπια με
κηπευτικά δεν θερμαίνονται τον χειμώνα, με αποτέλεσμα φυτά όπως η τομάτα να
καλλιεργούνται σε θερμοκρασίες κυμαινόμενες μεταξύ των δυο ορίων, χαμηλής (≥12
°C) και αρίστης (≤20 °C). Οι επιδράσεις της έκθεσης της τομάτας σε αυτά τα οριακά
χαμηλά επίπεδα θερμοκρασιών (13 – 19
o
C) είναι ιδιαίτερα δυσμενείς στην ανάπτυξη
και την παραγωγή των φυτών. Ωστόσο, το εύρος της μείωσης της ανάπτυξης και της
παραγωγής εξαρτάται από την γονοτυπική ανοχή των φυτών στην έκθεση τους στις
συγκεκριμένες συνθήκες. Είναι προφανές ότι η καλλιέργεια γονοτύπων υψηλής
παραγωγικότητας με αυξημένη ανοχή σε οριακά χαμηλά επίπεδα θερμοκρασιών
δύναται να οδηγήσει τόσο στη μείωση του κόστους των καυσίμων στα θερμοκήπια, με
αντίστοιχη εξοικονόμηση ενέργειας, όσο και στην επιμήκυνση της καλλιεργητικής
περιόδου και στην πρωϊμιση της παραγωγής στις υπαίθριες καλλιέργειες.
Η δημιουργία νέων ποικιλιών ή υβριδίων τομάτας με ανοχή σε οριακά χαμηλές
θερμοκρασίες δεν είναι αντικειμενικά εφικτή, λόγω της χαμηλής γενετικής
ποικιλομορφίας των υπαρχόντων γενοτύπων σε αυτό το γενετικό χαρακτηριστικό.
Ωστόσο, μια εναλλακτική και φιλική προς το περιβάλλον τεχνική, αυτή του
εμβολιασμού, θα μπορούσε να οδηγήσει στην επιθυμητή διεύρυνση των ορίων ανοχής
των φυτών σε συνθήκες οριακά χαμηλών θερμοκρασιών. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν
καταστεί δυνατή η επιλογή ή δημιουργία συμβατών υποκειμένων με αυξημένη ανοχή
σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες, τα οποία προφανώς ως αυτόρριζα φυτά δεν
χρειάζεται να δίνουν υψηλή παραγωγή και ποιότητα καρπών. Για να καταστεί όμως
δυνατή σε σύντομο χρόνο η επιλογή ή η δημιουργία μέσω γενετικής βελτίωσης
υποκειμένων εμβολιασμού με αυξημένη ανοχή σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες,
απαιτείται η κατανόηση των μηχανισμών που υπεισέρχονται στην ανοχή των φυτών σε
αυτές τις συνθήκες, καθώς και του τρόπου με τον οποίο σχετίζονται αυτοί οι
μηχανισμοί με την ανάπτυξή τους. Ένας από τους σημαντικότερους μηχανισμούς με
τον οποίο το υποκείμενο ασκεί επιρροή στο εκάστοτε εμβόλιο, καθορίζοντας με αυτόν
τον τρόπο τα επίπεδα ανοχής του τελευταίου σε διάφορους παράγοντες καταπόνησης,
αποτελεί η επαγωγή διαφοροποίησης στην ακροπεταλική και βασιπεταλική μεταφορά
μεταβολιτών μέσω ορμονικών αγγελιοφόρων. Η καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού
αυτού μπορεί να οδηγήσει στην επιλογή του καταλλήλου συνδυασμού
15
υποκειμένου/εμβολίου που δύναται να προσδώσει αυξημένη ανοχή σε συνθήκες
χαμηλών θερμοκρασιών.
Προκειμένου λοιπόν να μελετηθεί αυτός ο μηχανισμός, αρχικά διεξήχθησαν έξι
παράλληλα επιμέρους πειράματα στο πλαίσιο μίας ενιαίας πειραματικής εργασίας. Στην
πρώτη αυτή πειραματική εργασία χρησιμοποιήθηκαν φυτά από τέσσερις διαφορετικές
ποικιλίες τομάτας, καθεμία από τις οποίες εμβολιάστηκε στην αντίστοιχη
μεταλλαγμένη (ισογονιδιακή) της ποικιλία και αντίστροφα, ενώ παράλληλα
πραγματοποιήθηκε και αυτοεμβολιασμός των εκάστοτε ζευγών ποικιλιών (κανονικής
και μεταλλαγμένης). Για τις δύο από τις τέσσερις ποικιλίες τομάτας υπήρχαν δύο
διαφορετικά μεταλλαγμένες ποικιλίες και συνεπώς συνολικά δοκιμάσθηκαν έξι
μεταλλαγμένες ποικιλίες και ειδικότερα μία σε καθένα από τα έξι επιμέρους πειράματα.
Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που διαφοροποιούσε τις έξι συνολικά μεταλλαγμένες
ποικιλίες συνίστατο είτε στην αδυναμία αυτών να βιοσυνθέσουν/καταβολίσουν
αμπσισικό οξύ (ΑΒΑ) ή κυτοκινίνη (CK) ή σαλικυλικό οξύ (SA), είτε στην μειωμένη
ευαισθησία τους στο αιθυλένιο (ET) ή την αυξίνη (ΙΑΑ), με αποτέλεσμα την παραγωγή
χαμηλών ενδογενών επιπέδων της εκάστοτε ορμόνης ή την χαμηλή ανταπόκριση στην
παρουσία της. Για το ABA υπήρχαν δύο διαφορετικές μεταλλαγές που κατέστειλαν την
βιοσύνθεσή του. Όλα τα πειράματα έδειξαν ότι η έκθεση της τομάτας σε χαμηλές
θερμοκρασίες ημέρας/νύχτας T (17/14 °C), μειώνει δραστικά τον ρυθμό επιμήκυνσης
των βλαστών, συγκρινόμενη με τον αντίστοιχο ρυθμό σε κανονικές συνθήκες
θερμοκρασίας ημέρας/νύχτας (22/18 °C). Η μελέτη των επιπτώσεων των διαφορετικών
γενετικών συνδυασμών ρίζας και υποκειμένου έδειξε ότι η παραγωγή ΑΒΑ τόσο στα
φύλλα όσο και στις ρίζες ασκεί προστατευτικό ρόλο στην ανάπτυξη των φυτών κάτω
από συνθήκες καταπόνησης χαμηλών θερμοκρασιών, παρά το γεγονός ότι η συμβολή
αυτή του ΑΒΑ στην συγκεκριμένη καταπόνηση αντικατοπτρίζεται εν μέρει μόνο από
τα επίπεδα του ABA στα φύλλα. Επιπλέον, η χρήση του γονότυπου με κανονική
ευαισθησία στην παραγωγή ενδογενούς αιθυλενίου είτε ως υποκειμένου είτε ως
εμβολίου αύξησε επίσης την ανοχή στην καταπόνηση σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες
σε σύγκριση με την μεταλλαγμένη ποικιλία με μειωμένη ευαισθησία στο ΕΤ. Επαρκής
ποσότητα ενδογενούς αυξίνης στο υπέργειο μέρος φυτών τομάτας φαίνεται ότι
συσχετίζεται θετικά με το ρυθμό ανάπτυξης αυτού σε συνθήκες καταπόνησης λόγω
οριακά χαμηλών θερμοκρασιών. Η χρήση της μεταλλαγμένης ποικιλίας που
παρουσιάζει αυξημένο καταβολισμό κυτοκινίνης, είτε ως εμβόλιο είτε ως υποκείμενο,
περιόρισε την επιμήκυνση των φύλλων υπό κανονικές συνθήκες ανάπτυξης, ενώ ηΣτις Μεσογειακές χώρες όπως η Ελλάδα, τα περισσότερα θερμοκήπια με
κηπευτικά δεν θερμαίνονται τον χειμώνα, με αποτέλεσμα φυτά όπως η τομάτα να
καλλιεργούνται σε θερμοκρασίες κυμαινόμενες μεταξύ των δυο ορίων, χαμηλής (≥12
°C) και αρίστης (≤20 °C). Οι επιδράσεις της έκθεσης της τομάτας σε αυτά τα οριακά
χαμηλά επίπεδα θερμοκρασιών (13 – 19
o
C) είναι ιδιαίτερα δυσμενείς στην ανάπτυξη
και την παραγωγή των φυτών. Ωστόσο, το εύρος της μείωσης της ανάπτυξης και της
παραγωγής εξαρτάται από την γονοτυπική ανοχή των φυτών στην έκθεση τους στις
συγκεκριμένες συνθήκες. Είναι προφανές ότι η καλλιέργεια γονοτύπων υψηλής
παραγωγικότητας με αυξημένη ανοχή σε οριακά χαμηλά επίπεδα θερμοκρασιών
δύναται να οδηγήσει τόσο στη μείωση του κόστους των καυσίμων στα θερμοκήπια, με
αντίστοιχη εξοικονόμηση ενέργειας, όσο και στην επιμήκυνση της καλλιεργητικής
περιόδου και στην πρωϊμιση της παραγωγής στις υπαίθριες καλλιέργειες.
Η δημιουργία νέων ποικιλιών ή υβριδίων τομάτας με ανοχή σε οριακά χαμηλές
θερμοκρασίες δεν είναι αντικειμενικά εφικτή, λόγω της χαμηλής γενετικής
ποικιλομορφίας των υπαρχόντων γενοτύπων σε αυτό το γενετικό χαρακτηριστικό.
Ωστόσο, μια εναλλακτική και φιλική προς το περιβάλλον τεχνική, αυτή του
εμβολιασμού, θα μπορούσε να οδηγήσει στην επιθυμητή διεύρυνση των ορίων ανοχής
των φυτών σε συνθήκες οριακά χαμηλών θερμοκρασιών. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν
καταστεί δυνατή η επιλογή ή δημιουργία συμβατών υποκειμένων με αυξημένη ανοχή
σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες, τα οποία προφανώς ως αυτόρριζα φυτά δεν
χρειάζεται να δίνουν υψηλή παραγωγή και ποιότητα καρπών. Για να καταστεί όμως
δυνατή σε σύντομο χρόνο η επιλογή ή η δημιουργία μέσω γενετικής βελτίωσης
υποκειμένων εμβολιασμού με αυξημένη ανοχή σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες,
απαιτείται η κατανόηση των μηχανισμών που υπεισέρχονται στην ανοχή των φυτών σε
αυτές τις συνθήκες, καθώς και του τρόπου με τον οποίο σχετίζονται αυτοί οι
μηχανισμοί με την ανάπτυξή τους. Ένας από τους σημαντικότερους μηχανισμούς με
τον οποίο το υποκείμενο ασκεί επιρροή στο εκάστοτε εμβόλιο, καθορίζοντας με αυτόν
τον τρόπο τα επίπεδα ανοχής του τελευταίου σε διάφορους παράγοντες καταπόνησης,
αποτελεί η επαγωγή διαφοροποίησης στην ακροπεταλική και βασιπεταλική μεταφορά
μεταβολιτών μέσω ορμονικών αγγελιοφόρων. Η καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού
αυτού μπορεί να οδηγήσει στην επιλογή του καταλλήλου συνδυασμού
15
υποκειμένου/εμβολίου που δύναται να προσδώσει αυξημένη ανοχή σε συνθήκες
χαμηλών θερμοκρασιών.
Προκειμένου λοιπόν να μελετηθεί αυτός ο μηχανισμός, αρχικά διεξήχθησαν έξι
παράλληλα επιμέρους πειράματα στο πλαίσιο μίας ενιαίας πειραματικής εργασίας. Στην
πρώτη αυτή πειραματική εργασία χρησιμοποιήθηκαν φυτά από τέσσερις διαφορετικές
ποικιλίες τομάτας, καθεμία από τις οποίες εμβολιάστηκε στην αντίστοιχη
μεταλλαγμένη (ισογονιδιακή) της ποικιλία και αντίστροφα, ενώ παράλληλα
πραγματοποιήθηκε και αυτοεμβολιασμός των εκάστοτε ζευγών ποικιλιών (κανονικής
και μεταλλαγμένης). Για τις δύο από τις τέσσερις ποικιλίες τομάτας υπήρχαν δύο
διαφορετικά μεταλλαγμένες ποικιλίες και συνεπώς συνολικά δοκιμάσθηκαν έξι
μεταλλαγμένες ποικιλίες και ειδικότερα μία σε καθένα από τα έξι επιμέρους πειράματα.
Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που διαφοροποιούσε τις έξι συνολικά μεταλλαγμένες
ποικιλίες συνίστατο είτε στην αδυναμία αυτών να βιοσυνθέσουν/καταβολίσουν
αμπσισικό οξύ (ΑΒΑ) ή κυτοκινίνη (CK) ή σαλικυλικό οξύ (SA), είτε στην μειωμένη
ευαισθησία τους στο αιθυλένιο (ET) ή την αυξίνη (ΙΑΑ), με αποτέλεσμα την παραγωγή
χαμηλών ενδογενών επιπέδων της εκάστοτε ορμόνης ή την χαμηλή ανταπόκριση στην
παρουσία της. Για το ABA υπήρχαν δύο διαφορετικές μεταλλαγές που κατέστειλαν την
βιοσύνθεσή του. Όλα τα πειράματα έδειξαν ότι η έκθεση της τομάτας σε χαμηλές
θερμοκρασίες ημέρας/νύχτας T (17/14 °C), μειώνει δραστικά τον ρυθμό επιμήκυνσης
των βλαστών, συγκρινόμενη με τον αντίστοιχο ρυθμό σε κανονικές συνθήκες
θερμοκρασίας ημέρας/νύχτας (22/18 °C). Η μελέτη των επιπτώσεων των διαφορετικών
γενετικών συνδυασμών ρίζας και υποκειμένου έδειξε ότι η παραγωγή ΑΒΑ τόσο στα
φύλλα όσο και στις ρίζες ασκεί προστατευτικό ρόλο στην ανάπτυξη των φυτών κάτω
από συνθήκες καταπόνησης χαμηλών θερμοκρασιών, παρά το γεγονός ότι η συμβολή
αυτή του ΑΒΑ στην συγκεκριμένη καταπόνηση αντικατοπτρίζεται εν μέρει μόνο από
τα επίπεδα του ABA στα φύλλα. Επιπλέον, η χρήση του γονότυπου με κανονική
ευαισθησία στην παραγωγή ενδογενούς αιθυλενίου είτε ως υποκειμένου είτε ως
εμβολίου αύξησε επίσης την ανοχή στην καταπόνηση σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες
σε σύγκριση με την μεταλλαγμένη ποικιλία με μειωμένη ευαισθησία στο ΕΤ. Επαρκής
ποσότητα ενδογενούς αυξίνης στο υπέργειο μέρος φυτών τομάτας φαίνεται ότι
συσχετίζεται θετικά με το ρυθμό ανάπτυξης αυτού σε συνθήκες καταπόνησης λόγω
οριακά χαμηλών θερμοκρασιών. Η χρήση της μεταλλαγμένης ποικιλίας που
παρουσιάζει αυξημένο καταβολισμό κυτοκινίνης, είτε ως εμβόλιο είτε ως υποκείμενο,
περιόρισε την επιμήκυνση των φύλλων υπό κανονικές συνθήκες ανάπτυξης, ενώ ηεπίδραση αυτή ήταν μηδαμινή όταν η θερμοκρασία ήταν χαμηλή. Μειωμένη
βιοσύνθεση σαλικυλικού οξέως στο βλαστικό μέρος των φυτών που αναπτυχτήκαν σε
συνθήκες οριακά χαμηλών θερμοκρασιών οδήγησε σε μειωμένο ρυθμό επιμήκυνσης
των βλαστών, ενώ ο ρυθμός επιμήκυνσης των φύλλων μειώθηκε το ίδιο και στις δυο
θερμοκρασίες ανάπτυξης (κανονική και χαμηλή). Συμπερασματικά, από την παραπάνω
πειραματική εργασία προέκυψε ότι η παραγωγή ενδογενούς ΑΒΑ ενισχύει την ανοχή
της τομάτας σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες και έμμεσα ελέγχει τα ενδογενή επίπεδα
του αιθυλενίου, ενώ η ανύψωση των ενδογενών επιπέδων της αυξίνης και του
σαλικυλικού οξέως στο βλαστό ενισχύει την επιμήκυνση του στις συνθήκες αυτές.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω πειραματικά δεδομένα, τα οποία έδειξαν ότι η
ορμόνη που συμβάλλει στην διατήρηση της ανάπτυξης των φυτών υπό συνθήκες
έκθεσης σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες είναι κυρίως το ABA, αποφασίσθηκε να
πραγματοποιηθεί ένα νέο πείραμα με στόχο την περαιτέρω διερεύνηση του θέματος.
Ειδικότερα, ο σκοπός του πειράματος αυτού ήταν η συσχέτιση των ενδογενών επιπέδων
του ΑΒΑ με την ανοχή των φυτών σε συνθήκες έκθεσης σε οριακά χαμηλές
θερμοκρασίες στο περιβάλλον της ρίζας.
Προκειμένου λοιπόν να μελετηθεί ο ρόλος του ενδογενούς ΑΒΑ στην ανοχή της
τομάτας στις οριακά χαμηλές θερμοκρασίες, φυτά τομάτας της ποικιλίας ‘Ailsa Craig’
εμβολιαστήκαν στην ισογονιδιακή ποικιλία τομάτας ‘notabilis’ που παρουσιάζεται ως
μετάλλαξη της ‘Ailsa Craig’ στερούμενη ABA. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε και ο
αντίστροφος εμβολιασμός (‘notabilis’ σε ‘Ailsa Craig’) ενώ επιπλέον
πραγματοποιήθηκε και αυτοεμβολιασμός των δυο ποικιλιών. Εφαρμοστήκαν δυο
επίπεδα θερμοκρασίας ρίζας (15 και 25
ο
C), ενώ η θερμοκρασία αέρα διατηρήθηκε
σταθερή στους 25
ο
C καθ’ όλη τη διάρκεια του πειράματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν
ότι τόσο η χαμηλή θερμοκρασία ρίζας όσο και η έλλειψη του LeNCED1 γονιδίου που
είναι υπεύθυνο για την παραγωγή ΑΒΑ τόσο στα φύλλα όσο και στις ρίζες μείωσε την
φυλλική επιφάνεια, το ύψος και την ξηρή ουσία των φυτών χωρίς όμως σημαντική
αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο αυτών παραγόντων. Ο ρυθμός διαπνοής και η
στοματική αγωγιμότητα μειώθηκαν, ενώ η αφομοίωση του CO
δεν επηρεάστηκε από
την έκθεση της ρίζας σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, τα φύλλα της ισογονιδιακής
ποικιλίας ‘notabilis’ παρουσίασαν υψηλότερους ρυθμούς καθαρής αφομοίωσης CO
2
,
στοματικής αγωγιμότητας και διαπνοής σε σύγκριση με αυτά της ποικιλίας ‘Ailsa
Craig’. Παράλληλα, τα φυτά ‘notabilis’ συσσώρευσαν πολύ περισσότερη βιομάζα στη
ρίζα σε σύγκριση με αυτά της ποικιλίας ‘Ailsa Craig’ βελτιώνοντας έτσι την ικανότηταπρόσληψης ύδατος. Η υπεροξείδωση των λιπιδίων καθώς και οι πολυαμίνες και η
υπεροξειδάση της γκουαϊακόλης (G-POD), οι οποίες θεωρούνται ότι διαθέτουν
αντιοξειδωτικές ιδιότητες, παρουσίασαν αύξηση στα φύλλα όλων των συνδυασμών
εμβολιασμένων φυτών τομάτας όταν αυτά εκτέθηκαν σε χαμηλές θερμοκρασίες στο
περιβάλλον της ρίζας. ‘Όλοι οι συνδυασμοί εμβολιασμένων φυτών παρουσίασαν
αυξημένα επίπεδα ΑΒΑ στα φύλλα σε συνθήκες καταπόνησης εξαιτίας της έκθεσης
τους σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, τα επίπεδα του ΑΒΑ στο φύλλα του
‘notabilis’ δεν διέφεραν σημαντικά από εκείνα της ποικιλίας ‘Ailsa Craig’, γεγονός που
καταδεικνύει ότι η απουσία του LeNCED1 γονιδίου δεν οδηγεί σε μείωση των
ενδογενών επιπέδων του ABA στα φύλλα σε χαμηλές θερμοκρασίες ρίζας. Αυτό
έρχεται σε αντίθεση με τα ως τώρα δεδομένα που παρουσιάζουν την ποικιλία ‘notabilis’
ως μετάλλαξη στερούμενη ABA. Παράλληλα η επικράτηση των χαμηλών αυτών
θερμοκρασιών δεν οδήγησε στην υπερ-έκφραση των γονίδιων LeNCED2 και LeNCED6
και ως εκ τούτου διαπιστώθηκε ότι δεν είναι αυτά υπεύθυνα για τη βιοσύνθεση ΑΒΑ
που παρατηρήθηκε στην ισογονιδιακή ποικιλία ‘notabilis’. Τα αυξημένα επίπεδα του
ΑΒΑ σχετίστηκαν με αυξημένα επίπεδα της πολυαμίνης πουτρεσκίνης η οποία
συμβάλλει στην βιοσύνθεση αυτού. Συμπερασματικά, η ισογονιδιακή ποικιλία
‘notabilis’, η οποία περιέχει μετάλλαξη που οδηγεί στην απενεργοποίηση του
υπευθύνου για την παραγωγή ΑΒΑ γονιδίου LeNCED1, χρήζει περαιτέρω γενετικής
διερεύνησης. Και αυτό διότι επάγει επιπλέον αλλαγές πέραν της βιοσύνθεσης ABA σε
γενετικό επίπεδο, οι οποίες είναι ικανές να επηρεάσουν την αντίδραση του στην
καταπόνηση λόγω επικράτησης χαμηλών θερμοκρασιών στο περιβάλλον της ρίζας. Οι
αλλαγές αυτές δύνανται να οδηγήσουν στον περιορισμό της ανάπτυξης των φυτών και
την καταστολή της δράσης μηχανισμών που εξουδετερώνουν τις ελεύθερες ρίζες
οξυγόνου (ROS).
Σε ένα επόμενο πείραμα, χρησιμοποιήθηκε η καθαρή σειρά ‘LA 1777’ του
συγγενούς με την καλλιεργούμενη τομάτα είδους Solanum habrochaites, το οποίο
κατάγεται από το Περού, από περιοχές με υψόμετρο 3200 μ. Χαρακτηριστικά
γνωρίσματα αυτού του είδους αγριοτομάτας, αποτελούν τόσο το πλούσιο ριζικό του
σύστημα όσο και η αυξημένη ανοχή του σε χαμηλές θερμοκρασίες ανάπτυξης. Για το
λόγο αυτό, το συγκεκριμένο είδος χρησιμοποιήθηκε ως πιθανή πηγή γενετικού υλικού
για την διεύρυνση της γενετικής παραλλακτικότητας της καλλιεργούμενης τομάτας με
στόχο την δημιουργία υποκειμένων εμβολιασμού που αυξάνουν την ανεκτικότητα των
εμβολιασμένων φυτών σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, η υπόθεση ότι το S.habrochaites και ειδικότερα το ‘LA 1777’ δύναται να αυξήσει την ανοχή σε οριακά
χαμηλές θερμοκρασίες όταν χρησιμοποιείται ως υποκείμενο εμβολιασμού, βασίζεται σε
δεδομένα βλαστικής ανάπτυξης που παρθήκαν από πειράματα μικρής καλλιεργητικής
διάρκειας. Αντίθετα, δεδομένα που να συσχετίζουν την παραγωγή καρπών σε
εμβολιασμένα φυτά με την χρήση του ‘LA 1777’ ως υποκειμένου, δεν έχουν αναφερθεί
μέχρι σήμερα. Η ύπαρξη επομένως συσχέτισης μεταξύ παραγωγής καρπών κάτω από
συνθήκες οριακά χαμηλών θερμοκρασιών και χρήσης του ‘LA 1777’ ως υποκειμένου,
απαιτεί διερεύνηση. Προκειμένου λοιπόν να μελετηθεί η συσχέτιση αυτή, ένα τρίτο
πείραμα σχεδιάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Στόχοι αυτού
του πειράματος ήταν: α) να μελετηθεί η επίδραση του S. habrochaites και ειδικότερα
της καθαρής σειράς ‘LA 1777’ ως υποκειμένου εμβολιασμού παραγωγικών υβριδίων
τομάτας στην βλαστική ανάπτυξη και την παραγωγή καρπών σε συνθήκες οριακά
χαμηλών θερμοκρασιών και β) να διερευνηθεί η ύπαρξη φυσιολογικών μηχανισμών
ανοχής του εμβολιασμένου φυτού στις χαμηλές θερμοκρασίες οι οποίες επάγονται από
το συγκεκριμένο υποκείμενο. Ειδικότερα, η εμπορική ποικιλία τομάτας ‘Kommeet’
εμβολιάστηκε τόσο στις δικές της ρίζες (αυτοεμβολιασμός) όσο και σε δυο υποκείμενα
με διαφορετική ανοχή στο κρύο, ένα ευαίσθητο (‘Moneymaker’) και ένα ανθεκτικό
(‘LA 1777’). Τα εμβολιασμένα φυτά αναπτύχθηκαν σε τρεις διαφορετικές
θερμοκρασίες περιβάλλοντος, μια βέλτιστη (19,4
o
C ) και δύο εντός του εύρους των
οριακά χαμηλών τιμών και ειδικότερα μια ενδιάμεση (17
o
C) και μια χαμηλή (14,6
C).
Ο εμβολιασμός της ποικιλίας ‘Kommeet’ στο υποκείμενο ‘LA 1777’ οδήγησε σε
αύξηση της βλαστικής ανάπτυξης τόσο στην ενδιάμεση όσο και στην βέλτιστη
θερμοκρασία καλλιέργειας και σε αυξημένη παραγωγή ριζικής βιομάζας στην χαμηλή
και στην ενδιάμεση θερμοκρασία σε σύγκριση με τον αυτοεμβολιασμό και τον
εμβολιασμό στο υποκείμενο ‘Moneymaker’. Η μείωση της θερμοκρασίας οδήγησε σε
αισθητή μείωση της παραγωγής η οποία προήλθε από μείωση του αριθμού των καρπών
ανά φυτό, χωρίς ωστόσο οι δύο αυτοί παράγοντες (θερμοκρασία ανάπτυξης και
εμβολιασμός) να αλληλεπιδρούν. Ο εμβολιασμός της ποικιλίας ‘Kommeet’ στο
υποκείμενο ‘LA 1777’ οδήγησε σε αισθητή μείωση του συνολικού νωπού και ξηρού
βάρους καρπών ανά φυτό σε σύγκριση με τον αυτοεμβολιασμό, λόγω της μείωσης του
αριθμού των καρπών ανά φυτό. Τόσο όμως ο αριθμός των ανθέων ανά φυτό όσο και το
μέσο βάρος του καρπού δεν παρουσίασαν καμία μείωση οφειλόμενη στον εμβολιασμό
στο ‘LA 1777’, ανεξαρτήτως της θερμοκρασίας στην οποία αναπτύχθηκαν τα φυτά.
Από τα δεδομένα αυτά προκύπτει σαφώς ότι ο εμβολιασμός της ‘Kommeet’ στο ‘LA
19
o
1777’ περιορίζει σημαντικά την καρπόδεση. Η αρνητική αυτή επίπτωση της χρήσης του
υποκειμένου ‘LA 1777’ στην καρπόδεση των φυτών τομάτας ποικιλίας ‘Kommeet’,
υποδηλώνει την ύπαρξη ερεθισμάτων προερχομένων από την ρίζα, τα οποία επιδρούν
δυσμενώς στην γονιμότητα της παραγόμενης γύρης. Σε συνθήκες χαμηλών
θερμοκρασιών, η χρήση του ‘LA 1777’ ως υποκειμένου αύξησε τα επίπεδα των
διαλυτών σακχάρων, τα ολικά αμινοξέα (TAAC), και την δραστηριότητα της
υπεροξειδάσης της γκουαϊακόλης (G-POD) στις ρίζες σε σύγκριση με την χρήση των
δύο ποικιλιών καλλιεργούμενης τομάτας (S. lycopesricum) ως υποκειμένων,
διατηρώντας παράλληλα σε αισθητά χαμηλότερα επίπεδα την περιεκτικότητα της
μηλονοδιαλδεΰδης (MDA), η παρουσία της οποίας υποδηλώνει οξειδωτική
καταπόνηση. Οι διαφορές αυτές καταδεικνύουν μια ασθενέστερη οξειδωτική
καταπόνηση στις ρίζες των φυτών ‘LA 1777’ συγκριτικά με τις ρίζες των δύο ποικιλιών
S. lycopersicum (‘Kommeet’ και ‘Moneymaker’) όταν αυτές εκτίθενται σε οριακά
χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπρόσθετα, τα εμβολιασμένα φυτά σε ‘LA 1777’
παρουσίασαν σημαντικά υψηλότερα επίπεδα διαλυτών υδατανθράκων, TAAC και
δραστηριότητας της G-POD στα φύλλα και στους καρπούς και της SOD στους καρπούς
υπό συνθήκες χαμηλών θερμοκρασιών. Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν ότι η
χρήση του ‘LA 1777’ ως υποκείμενου, δύναται να τροποποιήσει τα επίπεδα ουσιών που
ελέγχουν την οξειδωτική καταπόνηση στους βλαστούς της τομάτας, βελτιώνοντας έτσι
την προσαρμογή της σε συνθήκες οριακά χαμηλών θερμοκρασιών (13 – 18
C).
Μια άλλη εναλλακτική μέθοδος βελτίωσης της ανεκτικότητας της τομάτας σε
οριακά χαμηλές θερμοκρασίες είναι η δημιουργία διειδικών υβριδίων της
καλλιεργούμενης τομάτας με είδη άγριας τομάτας που είναι ανεκτικά στις οριακά
χαμηλές θερμοκρασίες, με στόχο τη χρήση τους ως υποκειμένων εμβολιασμού. Η
χρήση της εναλλακτικής αυτής μεθόδου υπαγορεύεται και από το γεγονός ότι η
δημιουργία υψηλοαποδοτικών ποικιλιών ή υβριδίων τομάτας με ανεκτικότητα στις
χαμηλές θερμοκρασίες έχει αποτύχει μέχρι σήμερα. Η αποτυχία αυτή οφείλεται στη
μειωμένη γενετική ποικιλομορφία εντός του είδους S. lycopersicum όσον αφορά την
ανεκτικότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες, σε συνδυασμό με την μειωμένη γονιμότητα
της γύρης στα υβρίδια του S. lycopersicum με ανεκτικούς στο κρύο γονότυπους του S.
habrochaites. Για την δημιουργία όμως υποκειμένων με ανεκτικότητα σε χαμηλές
θερμοκρασίες, είναι αναγκαία η καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών προσαρμογής
που σχετίζονται με λειτουργίες της ρίζας και ιδιαίτερα με την δράση ουσιών (πχ.
φυτορμονών, αντιοξειδωτικών ενζύμων, υδατανθράκων κ.ά.) που παράγονται στην ρίζα και δρουν ως διαβιβαστές μηνυμάτων, επηρεάζοντας το υπέργειο μέρος του φυτού.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, σε θερμοκήπιο του Leibniz-Institute of
Vegetable and Ornamental Crops, στο Großbeeren της Γερμανίας πραγματοποιήθηκε
ένα πείραμα με φυτά τομάτας ποικιλίας ‘Kommeet’ εμβολιασμένα σε δύο υποκείμενα
με διαφορετική ανοχή σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες, το ‘Moneymaker’ (ευαίσθητο)
και το ‘LA1777’ (ανεκτικό). Τα φυτά καλλιεργήθηκαν σε υδροπονικό σύστημα NFT με
θερμοκρασίες ρίζας 15
ο
C ή 25
ο
C και θερμοκρασία αέρα 25
ο
C σε όλη τη διάρκεια του
πειράματος. Μετά από έκθεση των φυτών για ένα μήνα στις προαναφερθείσες
θερμοκρασίες, συλλέχθηκαν δείγματα ρίζας και φύλλων για την μελέτη της επίδρασης
της θερμοκρασίας ρίζας τόσο στην ανάπτυξη και την φυσιολογία όσο στην συνολική
γονιδιακή τους έκφραση, χρησιμοποιώντας c-DNA μικροσυστοιχίες. Η μελέτη όλων
αυτών των παραγόντων πραγματοποιήθηκε και στα δυο μέρη του φυτού (φύλλα και
ρίζες), καθώς και στις δυο διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης από άποψη θερμοκρασίας
ρίζας.
Η συγκριτική μεταγραφική ανάλυση εντόπισε μηδενική αλλαγή στην έκφραση των
γονιδίων στα φύλλα της ποικιλίας ‘Kommeet’ που εμβολιαστήκαν στο ανεκτικό στο
ψύχος υποκείμενο, όταν οι ρίζες των φυτών εκτέθηκαν σε οριακά χαμηλές
θερμοκρασίες. Αντιθέτως, στα φύλλα των φυτών ποικιλίας ‘Kommeet’ που
εμβολιαστήκαν στο ευαίσθητο στο ψύχος υποκείμενο (‘Moneymaker’), 361 γονίδια
παρουσίασαν αλλαγή στην γονιδιακή τους έκφραση, όταν οι ρίζες τους εκτέθηκαν σε
οριακά χαμηλές θερμοκρασίες. Όσον αναφορά τα δύο διαφορετικά υποκείμενα, ‘LA
1777’ και ‘Moneymaker’, 1506 και 2036 γονίδια αντίστοιχα εμφάνισαν σημαντική
διαφοροποίηση στην έκφραση τους (υπερ-έκφραση ή υπο-έκφραση) στις ρίζες όταν
αυτές εκτέθηκαν σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες Στην παρούσα μελέτη διαπιστώθηκε
υπερ-έκφραση πολλών γονιδίων που σχετίζονται με τη σύνθεση του κυτταρικού
τοιχώματος στις ρίζες του ανεκτικού στο ψύχος γονότυπου, η οποία οδηγεί σε αύξηση
της αναλογίας μεταξύ ρίζας και βλαστού, συμβάλλοντας θετικά στην ανοδική
μεταφορά νερού και θρεπτικών συστατικών από τις ρίζες προς τον βλαστό. Επιπλέον,
οι αλλαγές στην παραγωγή των φυτορμονών στην ρίζα λόγω της καταπόνησης από
χαμηλές θερμοκρασίες στο περιβάλλον αυτής, επηρέασαν σημαντικά την διαβίβαση
ερεθισμάτων μεταξύ ριζών και υπέργειου μέρους των φυτών. Η επιρροή αυτή όμως
παρατηρήθηκε μόνο στα φύλλα της ποικιλίας ‘Kommeet’ που εμβολιάστηκε στο
ευαίσθητο στο ψύχος υποκείμενο, με αποτέλεσμα να προκληθεί ανισορροπία στο
ορμονικό ισοζύγιο του εμβολίου σε αυτή την περίπτωση.
21
Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης των γονιδίων του υποκειμένου ‘LA 1777’, τα
οποία ελέγχουν βιοχημικά μονοπάτια και φυσιολογικές διαδικασίες σχετιζόμενες με
ανοχή σε οριακά χαμηλές θερμοκρασίες είναι χρήσιμα για την κατανόηση των
μοριακών μηχανισμών ανεκτικότητας της τομάτας σε χαμηλές θερμοκρασίες. Οι
γνώσεις που αποκτήθηκαν από την έρευνα που διεξήχθη κατά την εκπόνηση της
συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την
συγκριτική αξιολόγηση της ανεκτικότητας διαφόρων γονοτύπων και συνδυασμών
υποκειμένων/εμβολίων σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τέλος, τα δεδομένα που προέκυψαν
υποδεικνύουν γονίδια πού μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δείκτες σε προγράμματα
γενετικής βελτίωσης, με στόχο την δημιουργία υποκειμένων εμβολιασμού τομάτας με
ανεκτικότητα στις χαμηλές θερμοκρασίες
