Reciprocal grafting reveals the role of gibberellins in tomato root-shoot communication

Resumo

As giberelinas (GAs) desempenham múltiplas funções na regulação de processos associados ao crescimento e desenvolvimento vegetal. A demanda de GA de um órgão pode ser atendida por transporte a longa distância a partir do local de síntese. Para examinar o impacto da alteração da biossíntese de GA no metabolismo e no crescimento, realizamos enxertias recíprocas entre tomateiro selvagem (WT; Solanum lycopersicum L.) e mutantes que exibem graus variados de deficiência de GA (linhagens gib). A taxa de crescimento relativo, baseada na altura da planta e na área foliar específica, dos enxertos gib mostrou recuperação parcial quando enxertados em porta‑enxerto WT. Em contraste, o enxerto WT demonstrou recuperação da biomassa radicular e da razão raiz/parte aérea em plantas com porta‑enxerto gib. Embora a maioria dos aminoácidos livres tenha se acumulado e afetado negativamente o crescimento radicular do porta‑enxerto WT, os níveis de ácidos orgânicos e açúcares foram reduzidos. O aumento dos níveis de açúcares e a diminuição dos níveis de aminoácidos de cadeia ramificada nas raízes do porta‑enxerto gib sugeriram que estes foram a principal fonte de carbono para sustentar o crescimento radicular. A análise multivariada demonstrou ajustes de crescimento e metabolismo do porta‑enxerto WT para suprir a maior demanda de GA dos enxertos gib. Em contraste, o enxerto WT exibiu alterações metabólicas relativamente pequenas para sustentar altas taxas de crescimento radicular e uma demanda reduzida de GA pelos porta‑enxertos gib. Nesse contexto, o uso estratégico da enxertia entre plantas WT e mutantes deficientes em GA oferece uma abordagem viável para impulsionar a produtividade agrícola e fortalecer a resiliência das plantas a estresses abióticos, proporcionando uma alternativa inovadora para o manejo sustentável de culturas em condições ambientais desafiadoras.

Abstract

Gibberellins (GAs) serve a multitude of functions in the regulation of processes associated with plant growth and development. The GA demand of an organ can be met through long-range transport from the site of synthesis. To examine the impact of altered GA biosynthesis on metabolism and growth, we performed reciprocal grafts of wild-type (WT; Solanum lycopersicum L.) and mutants exhibiting varying degrees of GA-deficiency (gib lines). The relative growth rate, based on plant height and specific leaf area, of the gib scions demonstrated partial recovery upon grafting to a WT rootstock. In contrast, the WT scion demonstrated recovery of root biomass and the root/shoot ratio in plants with gib rootstocks. Although the majority of free amino acids accumulated and negatively affected root growth of the WT rootstock, while the levels of organic acids and sugars were reduced. Increased levels of sugars and decreased levels of branched-chain amino acids in the roots of gib rootstock suggested that were the main carbon source to sustain the root growth. The multivariate analysis demonstrated growth and metabolism adjustments of the WT rootstock to supply the higher GA demand of the gib scions. In contrast, the WT scion displayed relatively minor metabolic alterations to support high rates of root growth and a reduced GA demand by the gib rootstocks. In this context, the strategic use of grafting between WT plants and GA-deficient mutants offers a viable approach to boosting agricultural productivity and strengthening plant resilience against abiotic stresses, providing an innovative alternative for sustainable crop management under challenging environmental conditions.