Abiotic stress and transgenics: Implications for reproductive success and crop-to-wild gene flow in Brassicas

Various abiotic and biotic stressors affect crop and weed plant performance in agroecosystems. Ozone (O3) tolerance in plants is partly regulated by the genotype and phenotypical properties, and it varies greatly in related species of wild and crop backgrounds. Thus, a continuous increase in atmospheric O3 concentration could change population dynamics of sexually compatible crop and weed species, and consequently affect crop-to-wild gene flow in the future. One way to build resistance against a biotic stressor, in this case insect-mediated herbivory, in crop plants is transgene-mediated insecticidal toxin production. In this study we aimed to describe how the physiological and phenological responses in a crop Brassica and its weedy relatives functioned to affect their comparative O3 tolerance. Furthermore, we studied how harbouring a transgene affects these responses in B. napus and B. rapa × transgenic B. napus BC2F2 backcross hybrid plants to reveal any within-plant trade-offs among toxin production, growth and O3 tolerance. We found a higher number of O3 symptoms but more effective compensatory assimilate allocation directed to reproduction for wild B. rapa compared to crop B. napus under elevated O3. This result suggested that the invasion-orientated strategy of producing a high number of seeds when vegetative growth is limited might improve the performance of weedy species under elevated O3. The probabilities for crop-to-wild transgene flow could be increased through higher seed production in hybrids under elevated O3, but the germination of hybrid seeds in particular was hampered by O3. The presence of transgenes did not perturb fecundity, within-plant biomass allocation or O3 tolerance of B. napus.

ZusammenfassungVerschiedene abiotische und biotische Faktoren beeinflussen die Performanz der Nutz- und Unkrautpflanzen in Agrarökosystemen. Die Ozon-(O3)-Toleranz der Pflanzen wird teilweise durch den Genotyp und durch phänotypische Eigenschaften reguliert und variiert in großem Maße bei verwandten Pflanzen mit einem wilden bzw. Nutzpflanzen-Hintergrund. Deshalb könnte eine kontinuierlich steigende O3-Konzentration in der Atmosphäre die Populationsdynamik von sexuell kompatiblen Nutz- und Unkrautarten verändern und in der Zukunft als Konsequenz den Genfluss von Nutz- zu Unkrautarten beeinflussen. Ein Weg um eine Resistenz gegenüber einem biotischen Stressor, in diesem Fall die Herbivorie durch Insekten, bei einer Nutzpflanze aufzubauen, ist die transgen vermittelte Produktion von insektiziden Toxinen. In dieser Untersuchung war es unser Ziel, zu beschreiben, wie die physiologischen und phänologischen Reaktionen bei der Nutzpflanze Brassica und ihren verwandten Unkräutern funktionierten, um ihre O3-Toleranz im Vergleich zu beeinflussen. Darüber hinaus untersuchten wir, wie die Anwesenheit eines Transgens diese Reaktionen bei B. napus und transgenen B. rapa x B. napus BC2F2 Rückkreuzungshybriden beeinflusst, um irgendwelche “trade offs” zwischen der Toxinproduktion, dem Wachstum und der O3-Toleranz innerhalb der Pflanzen festzustellen. Im Vergleich zu genutztem B. napus fanden wir unter erhöhtem O3-Gehalt eine größere Anzahl von O3-Symptomen aber auch eine effektivere, kompensatorische Assimilate-Allokation in Richtung auf die Reproduktion bei wildem B. rapa. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass, wenn das vegetative Wachstum limitiert ist, die invasionsorientierte Strategie durch die Produktion einer großen Anzahl von Samen die Performanz der unkrautartigen Arten bei erhöhtem O3-Gehalt verbessern könnte. Die Wahrscheinlichkeit für den Genfluss von transgenen Nutz- zu Wildpflanzen könnte durch die höhere Samenproduktion bei Hybriden bei erhöhtem O3-Gehalt erhöht sein, wenn auch die Keimung der Hybridsamen bei erhöhtem O3-Gehalt behindert wurde. Die Anwesenheit von Transgenen störte bei B. napus weder die Fruchtbarkeit, noch die Biomassenallokation innerhalb der Pflanze oder die O3-Toleranz.