Genetic engineering and light quality as tools to control shoot elongation in poinsettia (Euphorbia pulcherrimaWilld ex Klotzsch)

Abstract

Poinsettia (Euphorbia pulcherrima Willd ex Klotzsch) is a non-food and non-feed, vegetatively propagated ornamental plant which is among the economically most important ornamentals worldwide. Desirable plant height is one of the most important traits in such species. To obtain compact plants, growers are regularly using chemical growth retardants such as CCC (chlormequat chloride) or alar/daminozide (dimethylaminosuccinamic acid), which inhibit the gibberellin (GA) biosynthesis, resulting in compact plants. However, growth retardants have negative impacts on the environment and human health among others by potentially being carcinogenic. Thus, it is highly desirable to further restrict their use. This PhD project has explored the use of a plant genetic engineering approach and regulation of light quality by using light emitting diodes (LEDs) to control shoot elongation in poinsettia. The SHORT INTERNODES gene from Arabidopsis thaliana (AtSHI) was introduced into poinsettia by the use of an Agrobacterium-based transformation system (paper I). Light quality effects on plant morphology was investigated in greenhouse compartments and growth chambers by comparing use of traditional high pressure sodium (HPS) lamps as supplementary light with a combination of 80% red (R) and 20% blue (B) light from light emitting diodes (LED) (paper II). Also, the effect a 30 min end-of-day (EOD) treatment provided by R LED light was investigated in both light regimes (Paper II). To investigate the effect of manipulation of the phytochrome system on hormone physiology, and since the knowledge on hormone physiology in poinsettia was limited, the effects of EOD-R and EOD-FR on hormone levels were compared (paper III). Three independent transgenic lines (TL1, TL2, TL3) harbouring AtSHI were identified by PCR, and stable integration was confirmed by Southern blot analysis (paper I). When grown under short (SD; 10 h) or long day (LD; 16 h) conditions all three transgenic lines showed reduced shoot elongation compared to untransformed wild type (WT) control plants. TL1 showed the shortest stems and internodes under SD with 52% and 49% reduction, respectively, compared to the WT. This correlated with the highest AtSHI expression, and a trend of 31% lower levels of indole-3 acetic acid (IAA) in TL1 compared to the WT. All three cultivars tested (‘Christmas Spirit’, ‘Christmas Eve’ and ‘Advent Red’) showed reduced plant height (20-34%) under 20% B and 80% R provided by LED light compared to the traditionally used HPS lamps (5% B) (paper II). The phytochrome photostationary state (PPS) under the LED and HPS was very similar, indicating that B light receptors such as cryptochromes are important to control stem elongation of poinsettia. Furthermore, in ‘Advent Red’ exposure to EOD-R resulted in reduced stem extension by 13% when HPS was used as supplementary light (paper II). By contrast, under the B-R supplementary LED light, EOD-R did not reduce shoot elongation, suggesting that the light-receptor dependent inhibition of shoot elongation had already been saturated due to the high content of B and R. In the other cultivar tested, ‘Christmas Eve’, no effect of the EOD-R-treatment was observed under any of the two light regimes. This might be due to differences in phytochrome light receptors or their action. Lower plants under EOD-R compared to EOD-FR correlated with lower levels of IAA, gibberellin (GA) and abscisic acid (21%, 28% and 19%, respectively) in shoot tips (paper III). The GA analyses revealed that the 13-hydroxylation pathway of GA biosynthesis is probably dominating over the non-13-hydroxylation pathway. In conclusion, these results demonstrates the potential for using genetic engineering and exploiting light quality responses in order to reduce the use of plant growth retardants in greenhouse production of poinsettia. However, the difference in response to EOD-R in the tested cultivars emphasizes the importance of investigating light quality responses in different commercially grown cultivars.

Julestjerne (poinsettia; Euphorbia pulcherrima Willd ex Klotzsch), som verken benyttes til fôr eller mat og formeres vegetativt, er blant de økonomisk viktigste potteplantekulturer i verden. Kontroll av plantehøyden er av avgjørende betydning i slike arter. For å oppnå kompakte planter benyttes regelmessig behandling med kjemiske veksthemmere som CCC (chlormequat chloride) eller alar/daminozide (dimethylaminosuccinamic acid). Disse hemmer gibberellin- (GA) biosyntesen. Kjemiske veksthemmere har imidlertid negative effekter på miljøet og human helse, blant annet ved å være potensielt kreftframkallende. Det er derfor sterkt ønskelig å begrense bruken av disse ytterlige. Dette PhD-arbeidet har undersøkt muligheten for å benytte genteknologi og manipulering av lyskvalitet ved hjelp av lys-dioder (LED; fra engelsk «light emitting diodes») til å kontrollere strekningsveksten hos julestjerne. «SHORT INTERNODES»-genet fra vårskrinneblom (Arabidopsis thaliana) (AtSHI) ble satt inn i julestjerne ved hjelp av Agrobacterium-basert genteknologi (artikkel 1). Effekter av lyskvalitet på plantemorfologi ble undersøkt i veksthus og vekstkammere ved å sammenligne bruk av tradisjonelle høytrykksnatriumlamper (HPS; fra engelsk «high pressure sodium») som tilleggslys med bruk av LED-lys som ga en kombinasjon av 80% rødt (R) og 20% blått (B) lys (artikkel II). I tillegg ble effekten av en 30 minutters behandling med R LED-lys på slutten av dagen (EOD; fra engelsk «end of day») studert (artikkel II). For å undersøke effekten av manipulering av fytokromsystemet på hormonfysiologien, og siden kunnskapen om hormonfysiologien i julestjerne var begrenset, ble effektene av 30 minutter med EOD-R og EOD-mørkerødt (MR) på plantenes hormoninnhold sammenlignet (artikkel III). Tre uavhengige transgene linjer (T1, T2, T3) med innsatt AtSHI ble identifisert ved hjelp av PCR og stabil integrering bekreftet ved hjelp av southern blot-analyse (artikkel I). Ved dyrking under kort (KD; 10 timer) og lang dag (16 timer) viste alle tre linjer redusert strekningsvekst sammenlignet med ikke-tranformerte villtype-kontrollplanter. TL1 hadde de korteste stenglene og internodiene under KD med henholdsvis 52 % og 49 % reduksjon sammenlignet med villtypen. Dette korrelerte med det høyeste AtSHI-uttrykket og en tendens til lavere (31 %) nivåer av indol-3-eddiksyre (IAA) i TL1 sammenlignet med villtypen. Alle de tre testede julestjernesortene (‘Christmas Spirit’, ‘Christmas Eve’ og ‘Advent Red’) viste redusert plantehøyde (20-34 %) under 20 % B and 80 % R fra LED, sammenlignet med de tradisjonelt brukte HPS lampene (5 % B) (artikkel II). Fytokromstatus var svært lik under LED og HPS og dette tyder på at B-lysreseptorer som kryptokromer er viktige i å kontrollere strekningsveksten i julestjerne. I ‘Advent Red’ førte EOD-R til 13 % reduksjon i stengelstrekningen når HPS ble brukt som tilleggslys i veksthuset, sammenlignet med bruk av kun HPS uten EOD-R (artikkel II). I motsetning til dette, ble strekningsveksten ikke redusert av EOD-R-eksponering under B-R-LED-lysbehandlingen. Dette kan tyde på at lysavhengig hemming av stengelstrekning i dette tilfellet allerede var mettet på grunn av det høye nivået av B og R-lys. I den andre testede julestjernesorten, ‘Christmas Eve’, ble det ikke observert noen effekt av EOD-R under noen av de to lysregimene. Forskjellen mellom sortene kan muligens skyldes forskjeller i fytokrom-lysreseptorer eller deres virking. Lavere planter under EOD-R sammenlignet ned EOD-MR korrelerte med lavere nivåer av IAA, GA og abscisinsyre (henholdsvis 21 %, 28 % og 19 %) i skuddspissene (artikkel III). Analysene viste at 13-hydroksylerte gibberelliner forekom i større mengder enn ikke-13-hydroksylerte. De oppnådde resultatene viser potensial for å benytte genmodifisering og utnytte responser på lyskvalitet for å redusere bruk av kjemiske veksthemmere i veksthusdyrking av julestjerne. Forskjellene i respons på EOD-R i ulike julestjernesorter understreker imidlertid betydningen av å undersøke lyskvalitetsresponser i forskjellige kommersielt dyrkede sorter.