A d v a n c e s in M o l e c u l a r B i o l o g y (2): 71-77, 2008 Istanbul Kultur University, Printed in Turkey www.advmolbiol.org
W o o d - b a r k - c a m b i u m r e l a t i o n s
m e c h a n i s m of r o o t i n g in Salix
Valentin Kefeli
1*, Christopher
Leininger
2, Shari Mastalski
2, Beth
Rehn
2 1 S l i p p e r y R o c k W a t e r s h e d C o o l i t i o n / S l i p p e r y R o c k P A 1 6 0 5 7 , U S A 2 S l i p p e r y R o c k U n i v e r s i t y , D e p t . of p a r k s , R e v e a t i o n a n d E n v i r o m e n t S c i e n c e , S l i p p e r y R o c k P A 1 6 0 5 7 , U S AA b s t r a c t
T h e p r o c e s s o f p u s s y w i l l o w (Salix discolor) p r o p a g a t i o n , o r c l o n i n g , i s a n i m p o r t a n t b i o l o g i c a l p r o c e s s , w h i c h a l l o w s t h e i n c r e a s e o f t h e a m o u n t o f p l a n t l e t s w i t h t h e p r o p e r t i e s o f t h e m o t h e r p l a n t s . P u s s y w i l l o w h a s v e r y w e a k d o r m a n c y . T h e r e f o r e , t h e p r o c e s s o f r o o t i n g o f s t e m c u t t i n g s m a y p r o c e e d t e n m o n t h s i n a y e a r e x c e p t S e p t e m b e r a n d O c t o b e r . W e i n v e s t i g a t e d t h e l o c a l i z a t i o n o f t h e r o o t i n g p r o c e s s o n t h e s t e m , p e r f o r m i n g s u r g e r y i n t h e f o r m o f g i r d l i n g o f b a r k a n d p a r t i a l s t r i p p i n g o f b a r k w i t h c a m b i u m f r o m t h e s t e m . T h e p r o c e s s o f r o o t i n g w a s i n v e s t i g a t e d . W e o b s e r v e d t h a t r o o t s a r e f o r m e d o n l y o n t h e b a r k w i t h c a m b i u m . I f w e s t r i p t h e b a r k , n o r o o t s o n t h e w o o d w e r e o b s e r v e d . R o o t e d c u t t i n g s w e r e s u b j e c t e d t o p r e p a r a t i o n a n d w e o b s e r v e d t h a t r o o t s w e r e f o r m e d o n l y o n t h e b a r k - c a m b i u m c o m p l e x . D u r i n g t h e p r e p a r a t i o n o f t h e s t e m , w e d i d n o t s e p a r a t e b a r k f r o m c a m b i u m a n d i n v e s t i g a t e d t h i s c o m p l e x t o g e t h e r . K e y w o r d s : p r o p a g a t i o n , c l o n i n g * Corresponding Author:329 North Main Street, Slippery Rock, PA 16057, 724-738-0845 E-mail: [email protected]
d u r i n g w i l l o w c l o n i n g a n d t h e
discolor
Introduction
P r e v i o u s e x p e r i m e n t a t i o n b y K e f e l i e t al. ( 2 0 0 7 ) d e m o n s t r a t e d t h e c a r b o n p o l y m e r f o r m a t i o n i n l e a v e s , w o o d , a n d b a r k o f w i l l o w c u t t i n g s . T h e c a r b o n p o l y m e r s i n l e a v e s a r e m a i n l y s t a r c h . I n w o o d , t h e c a r b o n p o l y m e r s a r e lignin a n d c e l l u l o s e . C a r b o n p o l y m e r s f o u n d i n b a r k a r e c e l l u l o s e , l i g n i n , a n d p e c t i n . T h e s e s e c o n d a r y s u b s t a n c e s a r e f o r m e d f r o m t h e p r i m a r y p r o d u c t s o f p h o t o s y n t h e s i s s u c h a s g l u c o s e a n d a m i n o a c i d s ( K e f e l i e t al., 2 0 0 7 ) . T h e s e s t o r e d c a r b o n p o l y m e r s a c c u m u l a t e i n t h e b a r k - c a m b i u m c o m p l e x t o b e m o b i l i z e d for b u i l d i n g n e w m a t e r i a l s . L o w m o l e c u l a r p h e n o l i c s c o u l d b e e x c r e t e d f r o m r o o t s a n d a c c u m u l a t e d in l e a v e s ( K e f e l i et al., 2 0 0 0 ) . T h e s e p h e n o l i c s m a y p l a y t h e role o f n a t u r a l i n h i b i t o r s a n d b o t a n i c a l h e r b i c i d e s ( K e f e l i et al., 2 0 0 3 ) . In a d d i t i o n , after a b s c i s s i o n , t h e l e a v e s p l a y a role in p r o d u c i n g c a r b o n s o i l s u b s t r a t e w i t h n u t r i e n t s t h a t c o n t r i b u t e t o t h e r e g e n e r a t i o n o f s o i l f o r f u t u r e p r o d u c t i v i t y . T h e p r e s e n t s t u d y is a c o n t i n u a t i o n of r e s e a r c h at t h e C e n t e r o f R e s t o r a t i o n o f B i o l o g i c a l C y c l e s : T h e J e n n i n g s E n v i r o n m e n t a l E d u c a t i o n C e n t e r , S l i p p e r y R o c k , P A , i n w h i c h m i n i n g site r e s t o r a t i o n i s t h e f o c u s for i n t e g r a t i v e s t u d i e s o n t h e r e s t o r a t i o n o f w a t e r a n d s o i l c y c l e s a s w e l l a s s h e l t e r c o n s t r u c t i o n . P a s t p r o j e c t s i n c l u d e w a t e r r e s t o r a t i o n u s i n g f i l t r a t i o n t h r o u g h b o t h c a l c i u m c a r b o n a t e a n d c o m p o s t e d m a t e r i a l s . O t h e r i n v e s t i g a t i o n s i n v o l v e t h e r e l a t i o n s h i p s o f b a r k , w o o d , a n d l e a v e s ; g r o w t h r h y t h m s i n w i l l o w p l a n t s ; u s e o f f a b r i c a t e d s o i l s ; p r o t e c t i o n o f c h e s t n u t s b y r o o t e x u d a t e s o f w i l l o w s ; a n d b u i l d i n g m a t e r i a l f a b r i c a t i o n f r o m l o c a l p l a n t s o u r c e s . I n t h i s p a p e r w e a r e i n v e s t i g a t i n g t h e m e c h a n i s m o f r o o t i n g i n p u s s y w i l l o w s (Salix discolor). T h e p u s s y w i l l o w is an a d a p t a b l e , r a p i d g r o w i n g p l a n t t h a t i s e a s i l y c l o n e d . I t h a s p o t e n t i a l f o r s o i l r e s t o r a t i o n a n d f i b e r p r o d u c t i o n for u s e i n b u i l d i n g m a t e r i a l s .F i g u r e 1. Illustration of regeneration process for mining soils at Jennings and De Sale using pussy willow, red willow, and poplar clones. Mother willow plants grown on fabricated soils at Jennings Environmental Education Center provide cuttings for clones. The plants are used to restore mine damaged soils at Jennings and De Sale.
P r e v i o u s e x p e r i m e n t a t i o n o n r e d w i l l o w P r e v i o u s e x p e r i m e n t a t i o n b y B . R i h n i n v e s t i g a t e d t h e r e l a t i o n s h i p o f b a r k a n d w o o d f o r m a t i o n a n d s t e m c o n s t r u c t i o n i n r e d w i l l o w s h o o t s . L e a v e s w e r e c o u n t e d , w e i g h e d , a n d r e g i s t e r e d f r o m f i v e - y e a r - o l d m o t h e r p l a n t s g r o w n i n f a b r i c a t e d s o i l a t J e n n i n g s m i n i n g s o i l r e s t o r a t i o n s i t e , o n e - y e a r - o l d c u t t i n g s f r o m t h e m o t h e r p l a n t s , a n d t r a n s p l a n t s a t t h e D e S a l e Plot. T h e u p p e r p a r t o f e a c h s h o o t p r o d u c e d m o r e l e a v e s a n d h a d a h i g h e r w e i g h t ( K e f e l i et al., 2 0 0 7 ) . T h e u p p e r l e a v e s a r e c o n s i d e r e d t h e c e n t e r s o f p r i m a r y p r o d u c t s o f p h o t o s y n t h e s i s ( K e f e l i , 1 9 9 2 ) . O n t h e o t h e r h a n d , t h e l o w e r p o r t i o n o f t h e c u t t i n g s h a d t h e h i g h e r p r o d u c t i o n o f w o o d a n d b a r k . A r h y t h m i c p a t t e r n w a s n o t e d i n t h e p r o c e s s o f g r o w t h o f r e d w i l l o w c u t t i n g s . F i r s t , p h o t o s y n t h e s i s i n l e a v e s p r o d u c e s p r i m a r y p r o d u c t s . S e c o n d , t h e s e p r i m a r y p r o d u c t s a r e u s e d for s t e m e l o n g a t i o n . T h i r d , r o o t s p l a y a p a r t i n s t e m g r o w t h . F o u r t h , c a r b o n p o l y m e r s a r e f o r m e d w h i l e w o o d , c a m b i u m , a n d b a r k is d i f f e r e n t i a t e d ( K e f e l i et al., 2 0 0 7 ) ( F i g u r e 1-2).
Materials and methods
E i g h t e e n c e n t i m e t e r c u t t i n g s o f p u s s y w i l l o w w e r e i s o l a t e d f r o m t h e m o t h e r p l a n t s a t J e n n i n g s E n v i r o n m e n t a l E d u c a t i o n C e n t e r . C u t t i n g s w e r e t h e n p r e p a r e d for r o o t i n g i n w a t e r , a t 6 8 ° F . S i n k w a t e r w a s u s e d . T h e p H r e g i s t e r e d 6 . 3 3 . W a t e r t e m p e r a t u r e w a s m a i n t a i n e d a t 6 00 F ( 1 60 C ) . A w e e k later, f o u r g r o u p s w e r e e s t a b l i s h e d . T w o c o n t r o l g r o u p s h a d n o s u r g e r y . O n e g r o u p h a d t h e b a r k - c a m b i u m layer g i r d l e d a n i n c h a b o v e t h e b a s e o f t h e c u t t i n g . T h e f o r t h g r o u p h a d a n a r r o w s t r i p o f b a r k r e m o v e d f r o m t h e b a s e o f t h e c u t t i n g t o t w o i n c h e s u p t h e s t e m . A f t e r 7 d a y s , t h e first p r i m o r d i a w e r e r e g i s t e r e d . A f t e r a n o t h e r 7 a n d 1 4 d a y s , t h e n u m b e r o f r o o t s w e r e r e g i s t e r e d o n e a c h c u t t i n g , a b o v e a n d b e l o w g i r d l i n g a n d o n t h e s t r i p s . L e n g t h o f r o o t s w a s a l s o m e a s u r e d . O n t h e fifth w e e k , t h e n u m b e r o f s h o o t s w a s r e g i s t e r e d a n d t h e a v e r a g e l e n g t h o f r o o t s a n d s h o o t s w e r e r e c o r d e d . T h e p l a n t s r e c e i v e d n o n a t u r a l light, a n d o n l y o c c a s i o n a l artificial light. N o n u t r i e n t s w e r e a d d e d , b u t f r e s h s i n k w a t e r w a s e x c h a n g e d e a c h w e e k .
W o o d bark c a m b i u m r e l a t i o n s
Kefeli et al.
73
BIOLOGICAL CYCLES RESTORATION
F i g u r e 2. Integration of cycles restoration at Jennings Environmental Center.
F i g u r e 3. H is pointed out that the connection between monomer production in leaves to polymer production in leaves, wood, and bark.
F i g u r e 4. Process of root initiation on willow cuttings. Stages of primordia and root development
W o o d bark c a m b i u m r e l a t i o n s
Kefeli et al. 75
T a b l e 2. Week four observations of primordia and roots of pussy willow cuttings.
I. C o n t r o l 1 II. G i r d l e s III. S t r i p s IV. C o n t r o l 2
P r i m o r d i a 2 2 1 2 1 6 3 0
R o o t s 15 7 17 23
P r i m o r d i a b e l o w g i r d l e 3
T a b l e 3. Week five observations of primordia, roots, and shoots.
I. C o n t r o l 1 P r i m o r d i a 1 8 R o o t s 3 2 S h o o t s 6 A v g . l o n g e s t R o o t ( c m ) 6 A v g . l o n g e s t S h o o t ( c m ) 8
II. G i r d l e s III. S t r i p s IV. C o n t r o l 2
8 13 2 3
2 2 2 7 3 4
5 6 6
6 6 8
6 5 8
T a b l e 4. Average of five weeks showing percentage of combined control groups.
I. C o n t r o l 1-2 II. G i r d l e s III. S t r i p s P r i m o r d i a 2 4 9 ( 3 7 % ) 1 4 (58 % ) R o o t s 1 7 1 4 ( 8 2 % ) 15 (88 % ) S h o o t s 6 5 (83 % ) 6 ( 1 0 0 % ) l o n g e s t R o o t ( c m ) 7 6 (86 % ) 6 (86 % ) l o n g e s t S h o o t ( c m ) 8 6 (75 % ) 5 (63 % )
Results
G e n e r a l c o n c e p t i o n o f this a r t i c l e i s b a s e d o n t h e a c t i v i t y o f t h e w i l l o w s h o o t e l e m e n t s ; l e a v e s , w o o d a n d b a r k . I n g e n e r a l , w o o d i a t h e s y s t e m o f w a t e r t r a n s p o r t a t i o n ( F i g u r e 3 left), l e a v e s a s t h e c e n t e r o f p h o t o s y n t h e s i s a n d p r i m a r y m e t a b o l i t e p r o d u c t i o n ( c e n t e r ) a n d b a r k a n d c a m b i u m (left) c e n t e r s o f r o o t f o r m a t i o n o n t h e s t e m c u t t i n g s . I n t h e m e c h a n i s m o f r o o t i n g e x p e r i m e n t , s t a g e s o f r o o t f o r m a t i o n w e r e o b s e r v e d . First, t h e p r i m o r d i a l T a b l e 1. 02/19/08 Week Three of Pussy Willow Cuttings: Observations of Primordia and Roots.I. C o n t r o l 1 II. G i r d l e s III. S t r i p s IV. C o n t r o l 2
P r i m o r d i a 2 4 7.5 1 2 2 9
R o o t s 0.4 0 0 . 0 9 0
P h o t o g r a p h 5. Week five of pussy willow cuttings. t i s s u e e r u p t e d t h r o u g h t h e b a r k . T h i s t i s s u e t h e n d e v e l o p e d i n t o r o o t s a f t e r 1 4 d a y s o f i n c u b a t i o n i n w a t e r . T h e r o o t s w e n t t h r o u g h t h e p r o c e s s o f e l o n g a t i o n , f o r m i n g t h e n e w c l o n e s f r o m t h e c u t t i n g s o f t h e m o t h e r p l a n t s . N o p r i m o r d i a o r r o o t s f o r m e d o n t h e w o o d w h e r e t h e b a r k - c a m b i u m l a y e r h a d b e e n e i t h e r s t r i p p e d o r g i r d l e d . T h o u g h a f e w p r i m o r d i a f o r m e d b e l o w t h e g i r d l e s , n o r o o t s d e v e l o p e d f r o m t h e m . T h e c u t t i n g s w i t h t h e g i r d l e s a n d s t r i p s s h o w e d r e d u c e d n u m b e r s o f p r i m o r d i a a n d r o o t s , a s w e l l a s r e d u c e d r o o t a n d s h o o t e l o n g a t i o n . T h e p H m e a s u r e d b e f o r e t h e w a t e r w a s r e p l a c e d w i t h n e w s i n k w a t e r , w a s l o w e r t h a n t h e p H f r o m t h e s i n k w a t e r . O n t h e t h i r d w e e k , c o n t r o l g r o u p o n e h a d a p H o f 5 . 7 4 ; c u t t i n g s w i t h g i r d l e s m e a s u r e d 6 . 1 9 ; c u t t i n g s w i t h s t r i p s m e a s u r e d 6 . 1 7 ; a n d c o n t r o l g r o u p t w o m e a s u r e d 5 . 2 3 . S t e m w i l l o w c u t t i n g s c o u l d b e t r a n s f o r m e d i n t o i n d i v i d u a l p l a n t s v i a f o l l o w i n g s t a g e s - r o o t p r i m o r d i a l f o r m a t i o n (after 2 w e e k s e x p o s e i n w a t e r , t e m p e r a t u r e p l u s 2 2 C ( F i g . 4 ) . R o o t i n g p r o c e s s c o u l d b e m o d i f i e d i f w e g i r d l e t h e c u t t i n g s ( n o b a r k a n d c a m b i u m i n t h e ring) o r i f w e m a k e l o n g i t u d i n a l s t r i p s . O p e r a t i o n w i t h b a r k ( g i r d l i n g a n d s t r i p p i n g ) d e p r e s s e d r o o t a c t i v i t y o n c u t t i n g s after 3 w e e k s e x p o s u r e i n w a t e r ( T a b l e 1). F o u r w e e k s i s a t i m e o f t h e p a r t i a l r e c o v e r y o f c u t t i n g s a f t e r o p e r a t i o n ( T a b l e 2 - 3 ) . M o r e a d v a n c e d r e c o v e r y w e c a n o b s e r v e after 5 w e e k s o f s u r g e r y ( T a b l e 4 ) . I n g e n e r a l s u r g e r y o n t h e c u t t i n g s ( l o w e r , w a t e r s u b m e r g e d p a r t ) l e a d s t o r e d u c t i o n o f p r i m o r d i a l f o r m a t i o n w h i c h i s c o n n e c t e d w i t h t h e c a m b i u m a c t i v i t y , l e n g t h o f s h o o t s a n d r o o t s a r e l e s s s e n s i t i v e ( T a b l e 4 a n d F i g u r e 6)
Conclusion
T h r e e c e n t e r s o f C - p o l y m e r f o r m a t i o n w e r e i n v e s t i g a t e d o n w i l l o w c u t t i n g s : l e a v e s , w o o d a n d b a r k . A f t e r s t e m g i r d l i n g , w e o b s e r v e d h i g h e r a m o u n t s o f p r i m o r d i a a b o v e t h e g i r d l e . W o o d w a s i n e r t t i s s u e for r o o t i n i t i a t i o n o n w i l l o w c u t t i n g s . T h e b a r k - c a m b i u m c o m p l e x w a s a c e n t e r o f r o o t f o r m a t i o n o f w i l l o w c u t t i n g s . W o o d a n d x y l e m a r e not r e g i o n s for r o o t f o r m a t i o n . T h o u g h w a t e r c o u l d f l o w u p t h e x y l e m , t h e b r e a c h i n t h e p h l o e m d i d not a l l o w n e c e s s a r y m a t e r i a l s for r o o t d e v e l o p m e n t t o f l o w d o w n b e l o w t h e g i r d l e s . I n a d d i t i o n , p h o t o s y n t h a t e n e c e s s a r y for r o o t i n g d o e s n o t p a s s t h r o u g h t h e x y l e m . F o r f o r m a t i o n o f r o o t s , t h e r e m u s t b e s u f f i c i e n t a m o u n t o f f l o w f r o m t h e u p p e r p a r t o f t h e c u t t i n g . T h e c u t t i n g s w e r e t a k e n i n a d o r m a n t s t a t e a n d n o t e x p o s e d t o n a t u r a l s u n l i g h t . N e v e r t h e l e s s , m a t e r i a l s w e r e s t o r e d i n t h e b a r k a n d c a m b i u m t o e s t a b l i s h initial p r i m o r d i a a n d r o o t d e v e l o p m e n t a s w e l l a s t h eW o o d bark c a m b i u m r e l a t i o n s Kefeli et al.
