Physiological, metabolic and molecular basis of biennial bearing in apple

Abstract

Alternate or biennial bearing in apple (Malus ×domestica Borkh.) is characterized by ‘On’ years with high crop load and inhibited floral bud initiation and ‘Off’ years with little crop load and promoted formation of floral buds, respectively. Apple cultivars differ in their degree of biennial bearing behavior. The cropping irregularity has severe effects on quality and yield of apple harvests in commercial orchards and thereby directly poses an economic risk to apple growers. The aim of this study was to contribute to the understanding of the underlying mechanisms of biennial bearing in apple by analyzing the physiological processes in bud meristems during the time of flower bud induction. A field experiment was conducted during the growing seasons 2015 and 2016 and provided bud meristems of various developmental stages for a variety of analyses. The regular bearing cultivar ‘Royal Gala’ and the biennial bearing cultivar ‘Fuji’ allowed the comparison of two different developmental responses to high and low crop load treatments. Buds from 2-year-old spurs were sampled starting approximately four weeks after full bloom. Histological analysis of bud meristems successfully identified the time point of flower bud initiation in both cultivars at the experimental site. The onset of flower bud initiation was affected by crop load, cultivar and heat accumulation. While heavy cropping delayed the onset in ‘Royal Gala’ trees for 20 days compared to ‘Royal Gala’ trees with no crop load, bud initiation in heavy cropping ‘Fuji’ trees was negligible. ‘Fuji’ trees with no crop load started initiating buds 19 days earlier than ‘Royal Gala’ trees with the same cropping status. Proteomic profiling of the buds sampled during flower bud induction and during flower bud initiation revealed distinct differences in specific protein abundances depending on the cropping status. Buds from trees with a high crop load, where the flower bud initiation was inhibited and the buds primarily remained in a vegetative state, showed a decreased abundance of enzymes belonging to the phenylpropanoid and flavonoid pathways. Specifically, PAL was reduced, which could lead to less active auxin due to the reduced production of chlorogenic acid and thereby inhibiting flower bud formation. Furthermore, increased abundances of histone deacetylase and ferritins were also found in buds from high cropping trees, indicating that histone modification and building up enough iron storage capacities are involved in the vegetative bud development. Buds growing on non-cropping trees with a high rate of flower bud initiation, showed significantly higher concentrations of proteins involved in histone and DNA methylation. Metabolomic profiling and next-generation RNA sequencing showed that thiamine, chlorogenic acid, and an adenine derivative play a role in metabolic pathways promoting early flower bud development in apple, and that tryptophan was more abundant in buds collected from high-cropping trees compared to non-cropping trees. The selection of proteins, metabolites, and genes that the current work produced through its broad, non-targeted approach provides a comprehensive data base for future, more targeted analyses. The results of this study lay a thorough baseline to contribute to the identification of biological markers that are linked to a certain bearing behavior. Such markers can accelerate and facilitate breeding programs aimed at selecting apple cultivars, that are less prone to biennial bearing.

Die Ertragsalternanz bei Apfel (Malus ×domestica Borkh.) ist gekennzeichnet durch "On"-Jahre mit hohem Ertrag und gehemmter Blütenknospenbildung und "Off"-Jahre mit geringem Ertrag und Bildung vieler Blütenknospen. Verschiedene Apfelsorten weisen eine unterschiedlich starke Ausprägung des Alternanzverhaltens auf. Die Unregelmäßigkeit des Ertrags hat bedeutende Auswirkungen auf die Qualität und Quantität der Apfelernte in kommerziellen Obstanlagen und stellt somit ein direktes wirtschaftliches Risiko für die Apfelanbauern dar. Ziel dieser Studie war es, durch die Analyse der physiologischen Prozesse in Knospenmeristemen zur Zeit der Blütenknospeninduktion einen Beitrag zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der Alternanz bei Apfel zu leisten. Ein in den Vegetationsperioden 2015 und 2016 durchgeführter Feldversuch lieferte Knospenmeristeme in verschiedenen Entwicklungsstadien für eine Vielzahl von Analysen. Die gleichmäßig tragende Sorte „Royal Gala“ und die stark alternierende Sorte „Fuji“ ermöglichten den Vergleich von zwei unterschiedlichen Entwicklungsreaktionen auf hohe und niedrige Fruchtbehänge. Knospen von 2-jährigen Kurztrieben wurden ab etwa vier Wochen nach Vollblüte beprobt. Durch eine histologische Analyse der Knospenmeristeme konnte der Zeitpunkt der Knospeninitiation bei beiden Sorten am Versuchsstandort bestimmt werden. Der Beginn der Knospeninitiation wurde durch die Stärke des Fruchtbehangs, die Sorte und die gesammelte Wärmesumme beeinflusst. Während sich der Beginn der Knospeninitiation bei „Royal Gala“ mit starkem Fruchtbehang im Vergleich zu „Royal Gala“ mit niedrigem Fruchtbehang um 20 Tage verzögerte, war die Knospeninitiation bei „Fuji“ mit hohem Fruchtbehang vernachlässigbar. „Fuji"-Bäume ohne Fruchtbehang begannen 19 Tage früher mit der Knospeninitiation als die entsprechenden „Royal Gala"-Bäume. Proteom-Profile der Knospen, die während der Knospeninduktion und der Knospeninitiation gesammelt wurden, wiesen deutliche Unterschiede in der Häufigkeit spezifischer Proteine in Abhängigkeit vom Fruchtbehang auf. Knospen von Bäumen mit einem hohen Fruchtbehang, bei denen die Blütenknospenbildung gehemmt war und die Knospen hauptsächlich im vegetativen Zustand verblieben, wiesen eine geringere Abundanz von Enzymen auf, die zu den Phenylpropanoid- und Flavonoid-Stoffwechselwegen gehören. Insbesondere war PAL reduziert, was aufgrund der daraus folgenden verminderten Produktion von Chlorogensäure zu weniger aktivem Auxin führen und damit die Bildung von Blütenknospen hemmen könnte. Darüber hinaus wurden in den Knospen von Bäumen mit hohem Fruchtbehang erhöhte Mengen an Histondeacetylase und Ferritinen gefunden, was darauf hindeutet, dass die Histonmodifikation und der Aufbau ausreichender Eisenspeicherkapazitäten an der Entwicklung der vegetativen Knospen beteiligt sind. Knospen, die an Bäumen mit einer hohen Rate an Blütenknospenbildung wuchsen, wiesen signifikant höhere Konzentrationen von Proteinen auf, die an der Histon- und DNA-Methylierung beteiligt sind. Metabolomanalysen und RNA-Sequenzierung zeigten, dass Thiamin, Chlorogensäure und ein Adenin-Derivat eine Rolle in den Stoffwechselwegen spielen, die die frühe Entwicklung der Blütenknospen bei Äpfeln fördern, und dass Tryptophan in Knospen von Bäumen mit hohem Fruchtbehang im Vergleich zu Bäumen mit niedrigem Fruchtbehang häufiger vorkam. Die Auswahl von Proteinen, Metaboliten und Genen, die diese Arbeit durch die breitangelegte Methodik hervorbrachte, bietet eine umfassende Datenbasis für zukünftige, gezieltere Analysen. Die Ergebnisse dieser Studie bilden eine solide Grundlage für die Identifizierung von biologischen Markern, die mit der Ertragsalternanz verbunden sind. Solche Marker können Züchtungsprogramme beschleunigen und erleichtern, die auf die Auswahl von Apfelsorten abzielen, die weniger anfällig für Ertragsalternanz sind.