Control of Flowering and Runnering in Strawberry

Strawberry flowering physiology has engaged the interest of researchers for almost a century after the initial reports demonstrating the photoperiodic control of flowering and N egetative reproduction through stolons called runners. Most strawberries possess a seasonal flowering habit with flower initiation occurring under short days in autumn and flowering during the following spring. Also perpetual flowering genotypes are known in diploid woodland strawberry (Fragaria vesca L.) and octoploid garden strawberry (F. x ananassa Duch.), and recent research have shown that this trait has evolved independently in different species. Studies in the perpetual flowering mutant of woodland strawberry led to the identification of TERMINAL FLOWER1 (FvTFL1) as a major floral repressor causing the seasonal flowering habit in this species and demonstrated that recessive mutation in this gene leads to perpetual flowering. This breakthrough opened an avenue for molecular understanding on the control of flowering by different environmental signals. Different loci control perpetual flowering in garden strawberry including one dominant major locus and additional environmentally regulated epistatic loci. The major gene is called Perpetual Flowering Runnering (PFRU) because it also reduces the number of runners. Growth regulator applications initially demonstrated the role of gibberellin in the control of runner formation, and molecular understanding on the role of gibberellin biosynthesis and signaling in this process has started to emerge. Here, we present current understanding and major open questions on the control of flowering and runnering in strawberries. In order to understand the control of flowering in the context of perennial growth cycle, we also discuss current knowledge on the control of dormancy.Peer reviewe

Mansikan kasvun ja kehityksen säätely

Strawberries (Fragaria sp.) are adapted to diverse environmental conditions from the tropics to about 70ºN, so different responses to environmental conditions can be found. Most genotypes of garden strawberry (F. x ananassa Duch.) and woodland strawberry (F. vesca L.) are short-day (SD) plants that are induced to flowering by photoperiods under a critical limit, but also various photoperiod x temperature interactions can be found. In addition, continuously flowering everbearing (EB) genotypes are found. In addition to flowering, axillary bud differentiation in strawberry is regulated by photoperiod. In SD conditions, axillary buds differentiate to rosette-like structures called "branch crowns", whereas in long-day conditions (LD) they form runners, branches with 2 long internodes followed by a daughter plant (leaf rosette). The number of crown branches determines the yield of the plant, since inflorescences are formed from the apical meristems of the crown. Although axillary bud differentiation is an important developmental process in strawberries, its environmental and hormonal regulation has not been characterized in detail. Moreover, the genetic mechanisms underlying axillary bud differentiation and regulation of flowering time in these species are almost completely unresolved. These topics have been studied in this thesis in order to enhance strawberry research, cultivation and breeding. The results showed that 8-12 SD cycles suppressed runner initiation from the axillary buds of the garden strawberry cv. Korona with the concomitant induction of crown branching, and 3 weeks of SD was sufficient for the induction of flowering in the main crown. Furthermore, a second SD treatment given a few weeks after the first SD period can be used to induce flowering in the primary branch crowns and to induce the formation of secondary branches. Thus, artificial SD treatments effectively stimulate crown branching, providing one means for the increase of cropping (yield) potential in strawberry. It was also shown by growth regulation applications, quantitave hormone analysis and gene expression analysis that gibberellin (GA) is one of the key signals involved in the photoperiod control of shoot differentiation. The results indicate that photoperiod controls GA activity specifically in axillary buds, thereby determining bud fate. It was further shown that chemical control of GA biosynthesis by prohexadione-calcium can be utilized to prevent excessive runner formation and induce crown branching in strawberry fields. Moreover, ProCa increased berry yield up to 50%, showing that it is an easier and more applicable alternative to artificial SD treatments for controlling strawberry crown development and yield. Finally, flowering gene pathways in Fragaria were explored by searching for homologs of 118 Arabidopsis thaliana flowering-time genes. In total, 66 gene homologs were identified, and they distributed to all known flowering pathways, suggesting the presence of these pathways also in strawberry. Expression analysis of selected genes revealed that the mRNA of putative floral identity gene APETALA1 accumulated in the shoot apex of the EB genotype after the induction of flowering, whereas it was absent in vegetative SD genotype, indicating the usefulness of this gene product as the marker of floral initiation. The present data enables the further exploration of strawberry flowering pathways with genetic transformation, gene mapping and transcriptomics methods.Päivittäisen valojakson pituudella ja lämpötilalla on keskeinen merkitys mansikan (Fragaria sp.) vuosittaisessa kasvukierrossa. Kesällä pitkänpäivän olosuhteissa mansikka muodostaa voimakkaasti rönsyjä ruusukeverson hankasilmuista. Sen sijaan päivänpituuden lyheneminen ja lämpötilan lasku syksyllä pysäyttää rönsynmuodostuksen ja käynnistää ruusukeverson haaroittumisen. Samalla alkaa kukka-aiheiden muodostus ruusukeverson kärkikasvupisteissä jatkuen kasvun päättymiseen saakka. Nämä syksyllä muodostuneet kukka-aiheet kasvavat kukinnoiksi ja tuottavat sadon seuraavana kesänä. Koska jokaiseen kasvupisteeseen voi muodostua vain yksi kukinto, syksyllä tapahtuvalla ruusukeverson haaroittumisella on keskeinen merkitys mansikan sadontuottokyvyn kehittymisessä. Tässä väitöskirjassa on selvitetty mansikan kukinnan ja ruusukeverson kehityksen hormonaalista ja molekyylitason säätelyä sekä kehitetty menetelmiä mansikan sadontuottokyvyn lisäämiseksi. Kasvihuoneessa toteutetuissa päivänpituuskäsittelyissä lyhyt päivänpituus (12h) pysäytti rönsynmuodostuksen ja käynnisti ruusukeverson haaroittumisen Korona -lajikkeella (F. x ananassa Duch.) noin kymmenessä päivässä ja käsittelyn pidentäminen tai toistaminen lisäsi haaroittumista. Kasvihormoni gibberelliinillä (GA) on keskeinen rooli ruusukeverson hankasilmujen erilaistumisessa, sillä silmujen erilaistuminen haaroiksi lyhyessä päivässä kytkeytyi GA:n tason ja aktiivisuuden laskuun silmuissa verrattuna pitkään päivään. Lisäksi GA:n tuotanto- ja signaalinvälitysreitin geenien ilmenemisessä havaittiin muutoksia, jotka tukevat GA:n roolia hankasilmujen päivänpituusvasteen välittäjänä. Näihin tuloksiin perustuen kehitettiin kaksi käytännön sovellusta mansikantuotantoon. Keinotekoiset lyhytpäiväkäsittelyt osoittautuivat tehokkaaksi keinoksi säädellä mansikan ruusukeverson haaroittumista sekä haarojen indusoitumista kukintaan kasvihuoneessa toteutettavassa taimituotannossa. Lisäksi GA:n muodostumista estävän kasvunsääteen, proheksadioni-kalsiumin (ProCa) osoitetiin vähentävän rönsynmuodostusta ja lisäävän ruusukeverson haaroittumista pitkässä päivässä. Avomaalla toteutetuissa kokeissa ProCa lisäsi seuraavan vuoden satoa jopa 50 %. Työn viimeisessä vaiheessa selvitettiin mansikan kukinnan geneettistä säätelyä käyttämällä ahomansikkaa (F. vesca L.) mallikasvina. Työssä etsittiin ahomansikan kukintageenejä julkisista sekvenssitietokannoista ja omista EST-kirjastoista (expressed sequence tag) sekvenssihomologiaan perustuen ja löydettiin 66 geeniä, jotka vastaavat mallikasvi lituruohon kukintageenejä. Geenien ilmenemistä tutkimalla löydettiin kaksi geeniä, APETALA1 ja LEAFY, jotka aktivoituvat ahomansikan kasvupisteessä kukintainduktion tapahduttua. Mansikan kukintageenien identifiointi mahdollistaa mansikan kukinnan säätelyreittien tarkemman tutkimisen, mikä edelleen tehostaa sadontuottokyvyltään parempien mansikkalajikkeiden jalostusta

Transcriptional profiling of defense responses to Botrytis cinerea infection in leaves of Fragaria vesca plants soil-drenched with beta-aminobutyric acid

Grey mold caused by the necrotrophic fungal pathogen Botrytis cinerea can affect leaves, flowers, and berries of strawberry, causing severe pre- and postharvest damage. The defense elicitor beta-aminobutyric acid (BABA) is reported to induce resistance against B. cinerea and many other pathogens in several crop plants. Surprisingly, BABA soil drench of woodland strawberry (Fragaria vesca) plants two days before B. cinerea inoculation caused increased infection in leaf tissues, suggesting that BABA induce systemic susceptibility in F. vesca. To understand the molecular mechanisms involved in B. cinerea susceptibility in leaves of F. vesca plants soil drenched with BABA, we used RNA sequencing to characterize the transcriptional reprogramming 24 h post-inoculation. The number of differentially expressed genes (DEGs) in infected vs. uninfected leaf tissue in BABA-treated plants was 5205 (2237 upregulated and 2968 downregulated). Upregulated genes were involved in pathogen recognition, defense response signaling, and biosynthesis of secondary metabolites (terpenoid and phenylpropanoid pathways), while downregulated genes were involved in photosynthesis and response to auxin. In control plants not treated with BABA, we found a total of 5300 DEGs (2461 upregulated and 2839 downregulated) after infection. Most of these corresponded to those in infected leaves of BABA-treated plants but a small subset of DEGs, including genes involved in 'response to biologic stimulus', 'photosynthesis' and 'chlorophyll biosynthesis and metabolism', differed significantly between treatments and could play a role in the induced susceptibility of BABA-treated plants.Peer reviewe

Mansikkalajikkeiden talvenkestävyyden mittaaminen

ei saatavill

Natural Variation in the Control of Flowering and Shoot Architecture in Diploid Fragaria Species

In perennial fruit and berry crops of the Rosaceae family, flower initiation occurs in late summer or autumn after downregulation of a strong repressor TERMINAL FLOWER1 (TFL1), and flowering and fruiting takes place the following growing season. Rosaceous fruit trees typically form two types of axillary shoots, short flower-bearing shoots called spurs and long shoots that are, respectively, analogous to branch crowns and stolons in strawberry. However, regulation of flowering and shoot architecture differs between species, and environmental and endogenous controlling mechanisms have just started to emerge. In woodland strawberry (Fragaria vesca L.), long days maintain vegetative meristems and promote stolon formation by activating TFL1 and GIBBERELLIN 20-OXIDASE4 (GA20ox4), respectively, while silencing of these factors by short days and cool temperatures induces flowering and branch crown formation. We characterized flowering responses of 14 accessions of seven diploid Fragaria species native to diverse habitats in the northern hemisphere and selected two species with contrasting environmental responses, Fragaria bucharica Losinsk. and Fragaria nilgerrensis Schlecht. ex J. Gay for detailed studies together with Fragaria vesca. Similar to F. vesca, short days at 18 degrees C promoted flowering in F. bucharica, and the species was induced to flower regardless of photoperiod at 11 degrees C after silencing of TFL1. F. nilgerrensis maintained higher TFL1 expression level and likely required cooler temperatures or longer exposure to inductive treatments to flower. We also found that high expression of GA20ox4 was associated with stolon formation in all three species, and its downregulation by short days and cool temperature coincided with branch crown formation in F. vesca and F. nilgerrensis, although the latter did not flower. F. bucharica, in contrast, rarely formed branch crowns, regardless of flowering or GA20ox4 expression level. Our findings highlighted diploid Fragaria species as rich sources of genetic variation controlling flowering and plant architecture, with potential applications in breeding of Rosaceous crops.Peer reviewe

Keinotekoisten lyhytpäiväkäsittelyiden ja varastoinnin vaikutus mansikan (Fragaria x ananassa Duch.) kukintaan ja satoon

ei saatavill

Ahomansikan kukintaan vaikuttavien geenien karakterisointi

Kasvien kukintaa säätelevät sekä ulkoiset (ympäristöolosuhteet) että sisäiset tekijät (kasvin kehitysvaihe).Näiden tekijöiden vaikutusta kukinnan alkamiseen on tutkittu paljon erityisesti lituruohon (Arabidopsis thaliana(L.) Heyhn.), avulla. Lituruoholla kukintaa säätelevät useat reitit, kuten esimerkiksi päivänpituus-,hormoni-, vernalisaatio- ja autonominen reitti. Reitit muodostavat geeniverkoston, joka säätelee kukintaingeraattorigeenienFT ja SOC1 kautta kukkameristeemin identiteettigeenejä LFY ja AP1. Päivänpituusreitti edistääkukintaa aktivoimalla FT:n ilmenemistä, kun taas hormoni-, vernalisaatio- ja autonominen reitti edistävätkukintaa estämällä kahden kukintaa negatiivisesti säätelevän geenin, FLC:n ja SVP:n, ilmenemistä.Yhteistä SOC1:lle, FLC:lle ja SVP:lle on se, että ne kaikki kuuluvat laajaan MADS-boxgeeniperheeseen.MADS-geenien koodaamat proteiinit säätelevät kohdegeeniensä toimintaa sitoutumallaniiden DNA:han. Lisäksi MADS-proteiinit pystyvät muodostamaan komplekseja sekä itsensä että muidenMADS-proteiinien kanssa. Esimerkiksi SOC1 aktivoi LFY:ä sitoutumalla sen säätelyalueeseen, mutta pystyysiirtymään tumaan vain vuorovaikutuksessa toisen MADS-proteiinin kanssa. Vastaavasti FLC ja SVP estävätSOC1:n ilmenemistä sitoutumalla sen säätelyalueeseen keskinäisessä vuorovaikutuksessa. MADS-proteiinitja niiden vuorovaikutukset sekä toiminta ovat varsin säilyneitä eri kasvilajien välillä, joskin keskeinen kukintaaestävä MADS-geeni FLC on tunnistettu vain ristikukkaisissa lajeissa.Ahomansikka on, toisin kuin lituruoho, monivuotinen lyhyenpäivänkasvi. Tutkimme mansikan kukinnansäätelyä käyttämällä ahomansikkaa mallikasvina. Ahomansikalta tunnetaan villityypin lisäksi useitajatkuvasatoisia muunnoksia. Näiden avulla olemme identifioineet mahdollisia kukintaan liittyviä kandidaattigeenejä,joiden toimintaa mansikalla voidaan tutkia siirtogeenisten mansikkalinjojen avulla. Tutkimmeahomansikan SOC1:n roolia kukinnan säätelyssä käyttämällä geenien ylituotto- ja hiljentämistekniikkaa Hawaii-4 –genotyypillä. Olemme tuottaneet agrobakteerivälitteisen geeninsiirron avulla useita ylituotto- ja hiljennyslinjoja,joiden kukintaominaisuuksissa näkyy muutoksia