Grafting success by cell wall remodeling Plants that produce great fruit may not always have great roots. Grafting of a productive scion onto a resilient rootstock has provided agriculturalists with solutions to this and other challenges. Notaguchi et al. have now studied why some plant grafts work better than others (see the Perspective by McCann). The tobacco relative Nicotiana benthamiana ( Nb ) turns out to be the superhero of grafting, able to form grafts with plants from a wide range of evolutionary families. A bit of Nb , set as a middleman between a tomato scion and an Arabidopsis rootstock, negotiated a successful junction between these two otherwise nonconversant plant species. The expression of β-1,4-glucanases secreted into the extracellular region turns out to be key in facilitating cell wall reconstruction. Science , this issue p. 698 ; see also p. 618

Grafting techniques have been applied in studies of systemic, long-distance signaling in several model plants. Seedling grafting in Arabidopsis, known as micrografting, enables investigation of the molecular mechanisms of systemic signaling between shoots and roots. However, conventional micrografting requires a high level of skill, limiting its use. Thus, an easier user-friendly method is needed. Here, we developed a silicone microscaled device, the micrografting chip, to obviate the need for training and to generate less stressed and more uniformly grafted seedlings. The chip has tandemly arrayed units, each of which consists of a seed pocket for seed germination and a micro-path with pairs of pillars for hypocotyl holding. Grafting, including seed germination, micrografting manipulation, and establishment of tissue reunion, is performed on the chip. Using the micrografting chip, we evaluated the effect of temperature and the carbon source on grafting and showed that a temperature of 27 degree Celsius and a sucrose concentration of 0.5% were optimal. We also used the chip to investigate the mechanism of systemic signaling of iron status using a quadruple nicotianamine synthase (nas) mutant. The constitutive iron-deficiency response in the nas mutant because of aberrant partitioning was significantly rescued by grafting of wild-type shoots or roots, suggesting that shoot- and root-ward translocation of nicotianamine-iron complexes is essential for iron mobilization. Thus, our micrografting chip will promote studies of long-distance signaling in plants.

Tissue adhesion between plant species occurs both naturally and artificially. Parasitic plants establish symbiotic relationship with host plants by adhering tissues at roots or stems. Plant grafting, on the other hand, is a widely used technique in agriculture to adhere tissues of two stems. While compatibility of tissue adhesion in plant grafting is often limited within close relatives, parasitic plants exhibit much wider compatibilities. For example, the Orobanchaceae parasitic plant Striga hermonthica is able to infect Poaceae crop plants, causing a serious agricultural loss. Here we found that the model Orobanchaceae parasite plant Phtheirospermum japonicum can be grafted on to interfamily species, such as Arabidopsis , a Brassicaceae plant. To understand molecular basis of tissue adhesion between distant plant species, we conducted comparative transcriptome analyses on both infection and grafting by P. japonicum on Arabidopsis . Through gene clustering, we identified genes upregulated during these tissue adhesion processes, which include cell proliferation- and cell wall modification-related genes. By comparing with a transcriptome dataset of interfamily grafting between Nicotiana and Arabidopsis , we identified 9 genes commonly induced in tissue adhesion between distant species. Among them, we showed a gene encoding secreted type of β-1,4-glucanase plays an important role for plant parasitism. Our data provide insights into the molecular commonality between parasitism and grafting in plants.

Plant grafting is conducted for vegetative propagation in plants, whereby a piece of living tissue is attached to another tissue through establishment of cell-cell adhesion. Plant grafting has a long history in agriculture and has been applied to improve crop traits for thousands of years. Plant grafting has mostly relied on the natural ability of a plant for wound healing. However, the compatibility of cell-cell adhesion typically limits graft combinations to closely related species, and the mechanism by which cell-cell adhesion of injured tissues is established is largely unknown. Here, we show that a subclade of β-1,4-glucanases secreted into the extracellular region facilitates cell-cell adhesion near the graft interface. Nicotiana shows a propensity for cell-cell adhesion with a diverse range of angiosperms, including vegetables, fruit trees, and monocots, in which cell wall reconstruction was promoted in a similar manner to conventional intrafamily grafting. Using transcriptomic approaches, we identified a specific clade of β-1,4-glucanases that is upregulated during grafting in successful graft combinations but not in incompatible grafts and precedes graft adhesion in inter- and intrafamily grafts. Grafting was facilitated with an overexpressor of the β-1,4-glucanase and, using Nicotiana stem as an interscion, we produced tomato fruits on rootstocks from other plant families. Our results demonstrate that the mechanism of cell-cell adhesion is partly conserved in plants and is a potential target to enhance plant grafting techniques.

Abstracts Grafting is an indispensable agricultural technology for propagating useful tree varieties and obtaining beneficial traits of two varieties/species—as stock and scion—at the same time. Recent studies of molecular events during grafting have revealed dynamic physiological and transcriptomic changes. Strategies focused on specific grafting steps are needed to further associate each physiological and molecular event with those steps. In this study, we developed a method to investigate the tissue adhesion event, an early grafting step, by improving an artificial in vitro grafting system in which two pieces of 1.5-mm thick Nicotiana benthamiana cut stem sections were combined and cultured on medium. We prepared a silicone sheet containing five special cutouts for adhesion of cut stem slices. We quantitatively measured the adhesive force at these grafting interfaces using a force gauge and found that graft adhesion started 2 days after grafting, with the adhesive force gradually increasing over time. After confirming the positive effect of auxin on grafting by this method, we tested the effect of cellulase treatment and observed significant enhancement of graft tissue adhesion. Compared with the addition of auxin or cellulase individually, the adhesive force was stronger when both auxin and cellulase were added simultaneously. The in vitro grafting method developed in this study is thus useful for examining the process of graft adhesion.