Завязываемость семян у растений-регенерантов капусты брокколи различных генотипов при гейтеногамном опылении
Автор: Заблоцкая Елена Александровна, Минейкина Анна Игоревна, Домблидес Елена Алексеевна, Паслова Татьяна Олеговна, Бондарева Людмила Леонидовна
Журнал: Овощи России @vegetables
Рубрика: Селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений
Статья в выпуске: 2 (52), 2020 года.
Бесплатный доступ
Актуальность: Капуста брокколи (Brassica oleracea L. convar. botrytis (L.) Alef. var. cymosa Duch.) распространена по всему миру благодаря своим диетическим, лечебно-профилактическим качествам и легкости приготовления. В настоящее время в селекции сельскохозяйственных культур приоритетным направлением является создание F1 гибридов, которые отличаются от сортов выравненностью и качеством продуктовых органов. Однако, для получения чистых линий, пригодных для создания таких гибридов, требуется затратить до 6 лет на инбридинги. В связи с этим необходимо вовлекать в селекционный процесс методы биотехнологии, а именно технологии получения удвоенных гаплоидов. С помощью них можно получить в одном поколении 100% гомозиготную линию. Но, как показывают более ранние исследования, у таких растений наблюдается низкая завязываемость семян, что затрудняет использование их в производстве. Поэтому важным этапом при работе с линиями, полученными в культуре in vitro, является определение степени завязываемости семян при опылении...
Капуста брокколи, линии удвоенных гаплоидов, завязываемость семян, самонесовместимость, гейтеногамное опыление, dh-технологии
Короткий адрес: https://sciup.org/140248080
IDR: 140248080 | DOI: 10.18619/2072-9146-2020-2-43-46
Текст научной статьи Завязываемость семян у растений-регенерантов капусты брокколи различных генотипов при гейтеногамном опылении
УДК 635.356:581.143.5:631.531
В современных условиях рынка потребительский спрос на овощные продукты не только растет, но и меняется. Тем самым создает для селекционеров необходимость наличия разнообразного и стабильного исходного материала, позволяющего быстро реагировать на запросы современного производства. Среди овощных культур значительное место занимают представители семейства Brassicaceae. Особое место занимает капуста брокколи ( Brassica oleracea L. convar. botrytis (L.) Alef. var. cymosa Duch.), которая популярна во всем мире благодаря своим вкусовым и диетическим качествам [1,2,3]. Она является источником витаминов А, В 2 , С, РР, К, в ней содержатся флавоноиды, селен, белок, включающий незаменимые аминокислоты, глюкозинолаты [4,5,6,7]. Эти все качества позволяют отнести капусту брокколи к продуктам функционального назначения [8].
В настоящее время наиболее приоритетным направлением в селекции овощных культур является создание гетерозисных гибридов F 1 , отличающихся от сортов выравнен-ностью, высокими продуктивными качествами, устойчивостью. Наиболее сложным, трудоемким и продолжительным этапом в этом процессе является создание константных родительских линий, на получение которых уходит до 7 лет у однолетних культур при использовании традиционных методов селекции [9].
В большинстве развитых стран в настоящее время для ускорения селекции широко используются биотехнологические методы, а именно, технологии получения удвоенных гаплоидов (DH-технологии) [10, 11, 12]. Такие технологии расширяют спектр генетического разнообразия форм растений, позволяют быстро создавать гомозиготные линии, способствуют обнаружению редких рецессивных аллелей, тем самым повышая эффективность практической селекции [13, 14, 15]. Получение и оценка растений, полученных с помощью DH-технологии из семейства Капустные – капуста белокочанная, брокколи, цветная, брюссельская, были описаны многими авторами, и доказано, что культура пыльников и микроспор может быть эффективной и использована для их селекции [16, 17, 18, 19].
Однако наряду с преимуществами биотехнологических методов, существуют практические сложности при работе с DH-растениями, связанные с их последующим размножением. В некоторых научных публикациях у ряда культур отмечена пониженная фертильность DH-растений. Так, в исследовании Осадчей Т.С. и др. обнаружены различия между линиями по уровню фертильности растений R 0 и R 1 при культивировании пыльников пшеницы. А также выявлены регенеранты R 0 , которые в R 1 -поколении расщеплялись по уровню фертильности. Авторы предполагают, что это может быть связано с цитогенетической изменчивостью андрогенных растений [20]. Аналогичные результаты были получены и ранее. Изменчивая фертильность была отмечена среди удвоенных гаплоидных растений, регенерированных из культуры пыльников ржи. В опытах, поставленных в период с 1981 по 1991 годы, наблюдалась завязываемость семян у 48-53% растений-регенерантов после самоопыления. В других опытах отмечено влияние внешних условий на фертильность растений-регенерантов (R 0 ). 62% растений R 0 могли завязывать семена после самоопыления в условиях теплицы. А регенеранты, которые были посажены непосредственно в поле для естественной яровизации, образовали приблизительно 30% посевного материала после самоопыления [21]. По данным Guo, Pulli у DH-растений ржи, полученных из культуры изолированных микроспор, наблюдалось нормальная способность завязывать семена [22]. Пониженная фертильность была описана Lashermes и др. у DH-растений кофе робуста ( Coffea canephora ), полученных путем колхицинирования гаплоидов. Авторы связывают это с инбредной депрессией [23]. По данным Stipic и др. из 78 полученных в культуре пыльников растений-регенерантов R 0 капусты цветной и выращенных в поле, только 14 были фертильными и образовали семена [24]. В аналогичных работах ряда авторов у культур из семейства Капустные выявлена низкая завязываемость семян при гейтеногам-ном опылении полученных in vitro растений-регенерантов, которая варьировала от 0 до 7 семян/стручок. При этом установлена зависимость данной особенности от генотипа [25, 26, 27, 28].
Таким образом, сниженная фертильность DH-линий может создать проблему использования их в качестве родителей при производстве гибридов. Поэтому крайне важно при включении в селекционный процесс нового исходного материала, определять завязываемость семян растений удвоенных гаплоидов для возможности дальнейшего практического использования.
Материал и методика исследований
Исходным материалом являлись растения-регенеранты капусты брокколи, полученные в лаборатории биотехнологии ФГБНУ ФНЦО методом культуры изолированных микроспор in vitro из перспективных селекционных образцов и переданные в лабораторию селекции и семеноводства капустных культур.
В работу были включены 11 генотипов капусты брокколи с различными морфологическими признаками.
Для определения степени завязываемости семян растения-регенеранты были помещены в вегетационные сосуды объемом 5 л с питательной смесью, состоящей из двух частей дерновой земли, по одной части перегноя и торфа с добавлением нитроаммофоски (10 г на вегетационный сосуд). Акклиматизацию, получение цветоноса и опыление проводили в камере искусственного климата при температуре 16…18°С при режиме 16 час. – день /8 час. – ночь и освещении 9000 лк. В качестве стандарта использовали удвоенную гаплоидную линию (DH-линию), включенную нами ранее по результатам испытаний в скрещивания.
Оценку степени проявления самонесовместимости при самоопылении цветков проводили по шкале: 0-1 штук/стручок – высокая, 2-5 штук/стручок – средняя, более 5 штук/стручок – низкая, или отсутствует (Бунин и др., 2011).
Степень завязываемости семян в стручках при опылении бутонов определяли по условно принятой шкале: 0 – семена отсутствуют, 1-5 штук/стручок – низкая; 6-10 штук/стручок – средняя; более 10 штук/стручок – высокая.
Статистическую обработку полученных данных проводили в программе Microsoft Excel 2010.
Результаты исследований
В проводимых ранее исследованиях по изучению удвоенных гаплоидных линий капусты брокколи некоторые авторы отмечают формирование малого числа семян в стручках линий, полученных в культуре in vitro. В исследованиях Farnham (1998) среднее число семян варьировало в пределах от 2,4 до 5,8 шт/стручок при ежегодном инбридинге в зависимости от генотипа и от 1,8-3,5 шт/стручок у DH-линий [29]. Ранее и нами была отмечена аналогичная тенденция завязываемости семян у полученных DH-линий капусты брокколи. Так, при опылении в бутонах среднее число семян у DH-линий из сорта Тонус составляло 6,7 шт./стручок, а у DH-линий из сортообразца №1 – 4,2 шт./стручок. Среднее число семян при гейтеногамном опылении у всех DH-линий было 4,91 шт./стручок. Все это послужило предпосылкой к дальнейшему изучению данного показателя для пригодности получаемых линий удвоенных гаплоидов в селекционной работе.
Оценка степени проявления самонесовместимости у растений-регенерантов показала, что в зависимости от генотипа до 73% растений имели высокую самонесовме-стимость, 18% – среднюю и 9% оказались самосовмести-мыми.
В результате исследований на завязываемость семян отмечено влияние генотипа. Из 11 генотипов минимальную завязываемость семян при опылении бутонов отмечали у трех генотипов (А, А1.3, Е-9). Так, в генотипах А и А1.3 у 93,3 и 95,3% стручков соответственно семена отсутствовали и лишь у небольшого процента стручков завязались семена (табл.). Можно предположить, что это связано с инбредной депрессией получаемых гомозиготных линий. У остальных 8 генотипов завязываемость семян составляла 50,3-85,7%. У всех тестируемых генотипов завязывае-мость была меньше, чем у DH-линии, используемой нами в селекционной практике.
По степени завязываемости семян при гейтеногамном опылении бутонов большинство генотипов имели низкую и среднюю степень завязываемости. Среди них у двух генотипов (Еv, Гв) наибольшая доля (57,2 и 76,8%, соответственно) приходилась на стручки с числом семян от 1 до 5 шт./стручок. Поэтому при работе с такими растениями-регенерантами, если они представляют практический интерес в селекционной работе, необходимо проводить максимальное количество скрещиваний для получения потомства. Особо выделяется генотип М за счет значительной доли стручков с высокой степенью завязываемо-сти семян по сравнению с другими (30,8%).
Заключение
В результате проведенных исследований показано, что в основном во всех генотипах содержалось от 1 до 10 семян в стручках при гейтеногамном опылении растений-регенерантов капусты брокколи, полученных в культуре in vitro , что свидетельствует о низкой и средней степени завязываемости и подтверждает результаты ранних исследований. Выделены генотипы А и А 1.3, с которых крайне сложно получить семена, так как у 93,3% и 95,3% стручков соответственно семена не завязывались.
Таблица. Степень завязываемости семян при гейтеногамном опылении растений-регенерантов капусты брокколи (2018 год) Table. Broccoli regenerated plants (R0) seed set ability rate after geitonogamy (2018)
Генотип Genotype |
Степень завязываемости семян при опылении бутонов, % стручков Seed set ability rate after bud pollination, pods % |
|||
семена отсутствуют no seeds |
низкая (от 1 до 5 шт./стру-чок) low (1 to 5 seeds per pod) |
средняя (от 6 до 10 шт./стручок) middle (6 to 10 seeds per pod) |
высокая (более 10 шт./стручок) high (more than 10 seeds per pod) |
|
М 70 |
49,7 |
23,3 |
20,2 |
6,8 |
М 50 |
35,5 |
21,0 |
34,1 |
9,4 |
М 43 |
38,4 |
19,2 |
29,8 |
12,6 |
М 3 |
33,9 |
39,1 |
17,4 |
9,6 |
М |
36,2 |
9,2 |
23,8 |
30,8 |
Е 9 |
73,7 |
25,4 |
0,9 |
0 |
Гв |
14,3 |
76,8 |
7,1 |
1,8 |
А |
93,3 |
6,7 |
0 |
0 |
А1.3 |
95,3 |
4,7 |
0 |
0 |
Фм |
35,5 |
38,8 |
21,1 |
4,6 |
Еv |
39,8 |
57,2 |
2,9 |
0,1 |
DH-линия (стандарт) |
9,1 |
45,5 |
22,7 |
22,7 |
Об авторах:
Заблоцкая Елена Александровна – кандидат с.-х. наук, м.н.с. лаб. селекции и семеноводства капустных культур,
Elena A. Zablotskaya – Cand. Sci. (Agriculture),
Junior Researcher of Laboratory Cole Crop Breeding and Seed Production,
Anna I. Mineykina – Cand. Sci. (Agriculture),
Researcher of Laboratory of Reproductive Biotechnology in Crop Breeding,
Elena A. Domblides – Cand. Sci. (Agriculture),
Head of Laboratory of Reproductive Biotechnology in Crop Breeding,
Tatyana O. Paslova – Junior Researcher of Laboratory Cole Crop
Breeding and Seed,
Lyudmila L. Bondareva – Doc. Sci. (Agriculture),
Head of Laboratory of Cole Crop Breeding and Seed Production,
Список литературы Завязываемость семян у растений-регенерантов капусты брокколи различных генотипов при гейтеногамном опылении
- Cornelis, M.C., El-Sohemy, A., Campos, H. GSTT1 genotype modifies the association between cruciferous vegetable intake and the risk of myocardial infarction. American Journal of Clinical Nutrition. 2007;(86):752-758.
- Zhang, X., Shu, X.O., Xiang, Y.B., Yang, G., Li, H., Gao, J., Cai, H., Gao, Y.T., Zheng, W. Cruciferous vegetable consumption is associated with a reduced risk of total and cardiovascular disease mortality. American Journal of Clinical Nutrition. 2011;(94):240-246.
- Кисличенко В.С., Владимирова И.Н. Капуста брокколи - Brassica oleracea L. var italica Plerck. Аналитический обзор. Провизор. 2007;(11):8-11.
- Williamson, G., Faulkner, K., Plumb, G.W. Glucosinolates and phenolics as antioxidants from plant foods. Eur. J. CancerPrev. 1998;(7):17-21.
- Finley, J. W., Davis, C., Feng, Y. Selenium from high-selenium broccoli protects rats from colon cancer. J. Nutr. 2000;(130):2384-2389.
- Голубкина Н.А., Сирота С.М., Пивоваров В.Ф., Яшин Я.И. Биологически активные соединения овощей. М.: ВНИИССОК; 2010. С.133-136.
- Рабинович А.М., Борисов В.А. Целебные овощные и пряноароматические растения России. М.: Изд-во "Арнебия", 2008. 511 с.
- Прохасько Л.С., Володина А.И., Кукина С.В., Асенова Б.К., Окусханова Э.К. Продукты питания функционального назначения. Молодой ученый. 2015;(3):205-207.
- Бондарева Л.Л. Научное обоснование и разработка системы методов селекции и семеноводства капустных культур. дис.. д-ра с.-х. наук: 06.01.05. Москва: 2009. 365 с.
- Dunwell J.M. Haploids in flowering plants: origins and exploitation. J. Plant Biotech. 2010;(8):377-424.
- Tuvesson, S., Dayteg, C., Hagberg, P., Manninen, O., Tanhuanpaa, P., Tenho la-Roininen, T., Kiviharju, E., Weyen, J., Forster, J., Schondelmaier, J., Lafferty, J., Marn, M., Fleck, A. Molecular markers and doubled haploids in European plant breeding. J. Euphytica. 2007;(158):305-312.
- Forster B.P., Thomas W.T.B. Doubled haploids in genetics and plant breeding. Plant Breed. Rev. 2005; (25): 57-88. 10.1002/ 9780470650301.ch3
- DOI: 10.1002/9780470650301.ch3
- Lionneton, E., Beuret, W., Delaitre, C., Ochatt, S., Rancillac M. Improved microspore culture and doubled-haploid plant regeneration in the brown condiment mustard (Brassica juncea). Plant Cell Rep. 2001;(20):126-130.
- Immonen S., and Antila H. Cold pretreatment to enhance green plant regeneration from rye anther culture. Plant Cell Tissue Organ Culture. 1999;57(2):121-127.
- Forster, B.P., Heberle-Bors, E., Kasha, K.J., Touraev A. The resurgence of haploids in higher plants. Trends Plant Sci. 2007;(12):368-375.
- Ockendon, D.J., Horn, W., Jensen, C.J., Odenbach, R.W., Scheider, O. Utilization of anther culture in Breeding Brussels sprouts. In Genetic Manipulation in plant Plant Breeding.: Walter & Gruyter CO. 1986. P.265-272.
- Ockendon DJ. The ploidy of plants obtained from anther culture of cauliflowers (Brassica oleracea var. botrytis). Ann. Appl. Biol. 1988;(113):319-325.
- Duijs, J. C., Voorrips, R. E., Visser, D. L., Custers, J.B.M. Microspore culture is successful in most crop types of Brassica oleracea L. J. Euphytica. 1992;(60):45-55.
- Lee, S.S., Nam, E. Microspore culture of broccoli (Brassica oleracea var. italica). Korean Soc. Hortic. Sci. 1995;(36):635-640.
- Осадчая Т.С., Трубачеева Н.В., Кравцова Л.А., Белан И.А., Россеева Л.П., Першина Л.А. Изучение фертильности и цитогенетической изменчивости у андрогенных растений (R0 и R1 ) аллоплазматических интрогрессивных линий мягкой пшеницы. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(3):370-377. DOI
- DOI: 10.18699/VJ16.165
- Deimling S, Flehinghaus-Roux T. Haploidy in rye. In: Mohan Jain S, Sopory SK, Veilleux RE (eds) In vitro haploid production in higher plants: Volume 4: Cereals. Kluwer Academic Publ, Dordrecht, The Netherlands, 1997. P.181-204.
- Guo, Y., Pulli, S. Isolated microspore culture and plant regeneration in rye (Secale cereale L.). Plant Cell Reports. 2000;(19):875-880.
- DOI: 10.1007/s002990000194
- Lashermes, P., Couturon, E. & Charrier, A. Doubled haploids of Coffea canephora: development, fertility and agronomic characteristics. Euphytica. 1993;(74):149-157.
- DOI: 10.1007/BF00033781
- Stipic, M., Campion, B. An improved protocol for androgenesis in cauliflowers (Brassica oleracea var. botrytis). J. Plant Breeding. 1997;116(2):153-157.
- Chauvin, J.E., Yang, Q., LeJeune, B., Herve Y. Obtention d'embryons par culture d'antheres chez le chou-fleur et le brocoli et evaluation des potentialites du materiel obtenu pour la creation varietale. Agronomie. 1993;(13):579-590.
- Kaminski, P., Dyki, B., Krzyzanowska D., Gуrecka, K. Diversity of diploid androgenic Brussels sprout plants of R0 and R1 generations. J. of Applied Genetics. 2005;46(1):25-33.
- Kaminski P. Gametoclonal and somaclonal variation among head cabbage androgenic lines of R1 and R2 generations obtained from Jaguar F1 hybrid. J. of Agricultural Science. 2011;2(2):119-128.
- Заблоцкая Е.А., Бондарева Л.Л., Шмыкова Н.А. Особенности завязывания семян у линий удвоенных гаплоидов капусты брокколи в разных поколениях. Овощи России. 2016;4(33):56-59.
- DOI: 10.18619/2072-9146-2016-4-56-59
- Farnham M.W. Doubled-haploid broccoli production using anther culture: effect of anther source and seed set characteristics of derived lines. J. of American Society for Horticulture Science. 1998;(123):73-77.