doi: 10.15389/agrobiology.2016.5.636rus
УДК 633.63:631.52:581.3
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ «Научная школа РФ» (НШ=5282.2014.4 — проект «Разработка теории репродукции растений с позиции проблемы целостности и надежности биосистем. Поливариантность морфогенетических программ развития, естественные и искусственные модели их реализации»).
ГАПЛОИДНЫЙ ПАРТЕНОГЕНЕЗ in vitro У САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
(Beta vulgaris L.): ФАКТОРЫ И ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ
Т.П. ЖУЖЖАЛОВА, О.А. ПОДВИГИНА, В.В. ЗНАМЕНСКАЯ,
Е.Н. ВАСИЛЬЧЕНКО, Н.А. КАРПЕЧЕНКО, О.А. ЗЕМЛЯНУХИНА
Традиционное получение инбредных линий и гибридов в селекции сахарной свеклы —трудоемкий процесс, требующий длительного времени из-за 2-летнего цикла развития растений, само- и перекрестной несовместимости, инбредной депрессии. Для индукции генотипического многообразия в исходной популяции перспективны биотехнологии, в том числе гаплоидный партеногенез. Мы показали, что при индуцировании гаплоидов in vitro у сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) эффективна экспресс-диагностика по фенотипическим, эмбриологическим признакам, отражающим периоды развития цветоносных побегов, органов, бутонов, стадии формирования зародышевого мешка семязачатка и пыльцевых зерен. Регенерационная активность наблюдается в семязачатках с 1 по 25 бутоны, расположенных по колосовидному цветоносу плейохазия вверх от раскрывшегося цветка. Ядра и клетки женского гаметофита изолированных семязачатков этих бутонов в условиях in vitro способны к новообразованиям на всех этапах развития, но 8-ядерные или 7-клеточные зародышевые мешки наиболее компетентны к морфогенезу и переключению программы развития с гаметофитного на спорофитный путь. Наступление критического периода развития зародышевых мешков предварительно определяли по сопутствующим эмбриологическим признакам — наличию одноядерных микроспор и двух-трехклеточных пыльцевых зерен пыльников, находящихся с семязачатками в одном бутоне. Полученные нами результаты свидетельствуют, что гормональный состав питательной среды по Гамборгу (В5) служит важным фактором, который эффективно регулирует направление морфогенетического развития у изолированных семязачатков — через прямую регенерацию (эмбриоидогенез) или через каллус (гемморизогенез), что свидетельствует о тотипотентности как половых, так и соматических клеток экспланта. Полученные данные о воспроизведении in vitro гаплоидных регенерантов углубляют имеющиеся научные представления о специфике морфогенетического потенциала у растений сахарной свеклы. Стабилизирующий отбор при создании линий удвоенных гаплоидов способствует выявлению ценных морфологических признаков регенерантов. Определение числа хромосом и хлоропластов в замыкающих клетках устьиц, а также электрофоретическая подвижность изоферментов (по локусам Adh-1, Mdh-1, Mdh-2, Me-1, Idh-1, Idh-2, Gdh-1) могут служить маркерами при индуцировании гаплоидии и создании гомозиготных реституционных линий сахарной свеклы. Показана эффективность метода RFLP-анализа с использованием рестриктазы Hind III, позволившего впервые идентифицировать гаплоидные микроклоны по типу цитоплазмы. Молекулярные маркеры свидетельствовали, что регенеранты с нормальной цитоплазмой (N) имели один ПЦР-продукт длиной 800 п.н., у форм (S) с цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) обнаруживались два продукта рестрикции (320 п.н. и 480 п.н.). Выявление гаплоидных регенерантов со стерильной цитоплазмой из исходных популяций имеет важное теоретическое и прикладное значение для селекции, облегчая задачу создания гомозиготных линий с ЦМС и высокопродуктивных гибридов на стерильной основе.
Ключевые слова: сахарная свекла (Beta vulgaris L.), гаплоидный партеногенез, женский гаметофит, удвоенные гаплоиды, эмбриоидогенез, органогенез, изоферменты, RFLP-анализ ДНК.
SUGAR BEET (Beta vulgaris L.) HAPLOID PARTHENOGENESIS in vitro: FACTORS AND DIAGNOSTIC CHARACTERS
T.P. Zhuzhzhalova, O.A. Podvigina, V.V. Znamenskaya,
E.N. Vasil’chenko,
N.A. Karpechenko, O.A. Zemlyanukhina
Traditional obtaining of inbred lines and hybrids in sugar beet breeding requires a long time and is labour-consuming because of 2-year cycle of plant development, self- and cross-incompat-ibility, and inbreeding depression. To induce genotypic diversity in initial population, biotechnology methods including haploid parthenogenesis are promising. We have shown that, when inducing sugar beet (Beta vulgaris L.) haploids in vitro, express-diagnostics using phenotypic and embryological characters that are representative of periods of flowering shoots, organs and buds development, and stages of embryo sac, ovule and pollen grains formation is effective. The regenerative activity is observed in ovules of bud 1 to bud 25 located on ear part of pleochasium upward from the open flower. The nuclei and cells of female gametophyte of isolated ovules under in vitro conditions are capable of neoplasm at all stages of development, but the 8-nuclear or 7-celled embryo sacs are the most appropriate to morphogenesis and switching of development program from gametophyte to sporophyte type. Critical period of embryo sac development has been beforehand determined from the accompanying embryological characters — the presence of single-nuclear and two-three-celled pollen grains of anthers located in the same bud as ovules. The results we obtained indicate that hormonal composition of the Gamborg's B-5 (B5) medium is an important factor that effectively regulates direction of morphogenetic development in isolated ovules through direct regeneration (embryoidogenesis) or via callus (hemorhizogenesis) that is the evidence of totipotency of both sexual and somatic cells in the explant. The obtained data on in vitro reproduction of haploid regenerants add to available scientific notion of morphogenetic potential specificity in sugar beet plants. Stabilizing selection used to produce double haploids promotes detection of valuable morphological features of the regenerants. Determination of chromosome and chloroplast numbers in stomata guard cells as well as isozyme electrophoretic mobility (for Adh-1, Mdh-1, Mdh-2, Me-1, Idh-1, Idh-2, Gdh-1 loci) can serve as markers when inducing haploidy and producing homozygous restitution lines of sugar beet. Efficiency of RFLP-analysis method using Hind III restrictase that has allowed for the first time to identify haploid microclones according cytoplasm type is shown. Molecular markers have indicated that regenerants with normal cytoplasm (N) have one PCR-product of 800 bp in length not digested by Hind III. Two fragments (320 bp and 480 bp) of 800 bp product digestion are found in cytoplasmic male sterile (CMS) forms (S) that reflects combination of recessive and dominant genes. Obtaining haploid regenerants with sterile cytoplasm from initial population is of great theoretical and practical importance for sugar beet breeding thus facilitating the problem of producing homozygous lines with CMS and high-productive hybrids on the sterile basis.
Keywords: sugar beet (Beta vulgaris L.) haploid parthenogenesis, female gametophyte, doubled haploid, embryoids, organogenesis, isozymes, RFLP-analysis.
ФГБНУ Всероссийский НИИ сахарной свеклы |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
