Effect of water deficit and elevated temperature on pollen development of drought sensitive and tolerant winter wheat (Triticum aestivum L.) genotypes

The effects of meiotic water deficit and combined heat and drought stress were studied on microsporogenesis and fertility of wheat. Among normal pollen, 12% of the drought stressed tolerant Plainsman V and 34% of the sensitive Cappelle Desprez pollen were arrested at early stages of gametogenesis. Drought stress manifested in significant reduction of the mean fertility in both sensitive (41%) and tolerant (33%) genotypes. Combined stress applied during meiosis among developmental arrests caused serious morphological anomalies in the sensitive genotype. When plants of the Plainsman V variety were subjected to simultaneous drought and heat, additional 24% significant decrease occurred in the ratio of normal pollen. The fertility of the basal part of the spikes was similar to the control in both genotypes, but the seed set in the middle and on the top of the spikes decreased significantly as a consequence of combined drought and heat stress

Effects of drought and combined drought and heat stress on germination ability and seminal root growth of wheat (Triticum aestivum L) seedlings

Wheat plants of the drought tolerant Plainsman V and sensitive Cappelle Desprez genotypes were subjected to drought and combined drought and elevated, 34/24 ºC day/night temperature at three various phases of reproductive development, at meiosis, from the 1st to the 5th day after pollination and from the 5th to the 9th day of seed development. After seed maturation, the germination frequency of the grains was calculated and the seminal root number of the seedlings was determined. Neither of the stress treatments affected the germination percentage of the genotypes significantly. Neither of the treatments reduced the number of seminal roots in the case of the tolerant genotype. However in sensitive variety the ratio of seedlings with only one root increased to 42% after drought stress, applied during the 5.-9. days after pollination. In this genotype the combined stress increased the proportion of one-rooted seedlings to 56% and 78% when applied during 1.-5. DAP and 5.-9. DAP, respectively. Histological studies revealed that the lateral root meristems were present in control and stressed embryos of both genotypes

Oxidatív stressz-toleráns DH kukorica vonalak hideg -és szárazságtűrésének vizsgálata = Cold and drought tolerance of the progeny of DH maize lines selected and regenerated from microsopres under oxidative stress conditions

A pályázatban azt vizsgáltuk, hogy a korábban in vitro mikrospóra szelekcióval előállított oxidatív stressz-toleráns kukorica DH vonalak rendelkeznek-e fokozott hideg és szárazságtűréssel, ill. van-e összefüggés a növények fokozott oxidatív stressztoleranciája hátterében álló megnövekedett antioxidáns kapacitásuk, valamint a hideg és szárazságtűrésük között. A hidegtűrést csírázáskor ill. kisnövény korban, míg a szárazság hatását a virágzást megelőző ill. virágzás időszakában vizsgáltuk. Csírázáskor, ill. kisnövény korban alkalmazott hidegkezelés jelentős mértékben csökkentette a kukorica csírázóképességét ill. fotoszintetikus aktivitását. Az oxidatív stressztoleráns növények közül 7 vonal hideggel szemben is magasabb toleranciát mutatott, mint a kontroll DH és a hibrid növények. Szoros korreláció mutatható ki a fiziológiai paraméterek és a növények antioxidáns kapacitása között. A szárazság hatására bekövetkező RWC és fotoszintetikus paraméterek változásai, valamint a pollen és termésfejlődés alapján 6 oxidatív stressztoleráns DH vonal szárazsággal szemben toleránsabb volt, mint a kontroll DH és a hibrid növények. A szárazságtűrés mértéke és a növények prolin ill. antioxidáns kapacitása között a korreláció kisebb volt. Ezek a vizsgálatok azt mutatják, hogy lehetséges hideg- és szárazságtűrő kukorica DH vonalak előállítása mikrospórák in vitro szelekciójával oxidatív stresszt indukáló vegyületek alkalmazásával. | The aim of the project was to characterize the cold and drought tolerance of the progeny of DH plants selected and regenerated from microspores under oxidative stress condition and to determine the relationship between the tolerance of oxidative stress and cold or drought of the selected DH lines. Seedlings and young plantlets were used for determination of cold tolerance, and the effect of drought was studied on adult, preflowering and flowering plants. Our results presented that 7 of 14 oxidative stress tolerant DH plants were also tolerant to cold, and their cold tolerance was correlated with their antioxidant capacity determined by the activities of the main antioxidant enzymes, such as superoxide dismutase, ascorbate peroxidase, glutathione reductase, catalase and glutathione-S-transferase. The drought-induced changes in the physiological parameters of leaves and in the pollen and pistil development presented that 6 oxidative stress tolerant DH plant showed higher drought tolerance than the control DH and hybrid plants. However, the correlation between physiological (RWC, photosynthesis) and biochemical (antioxidant capacity, prolin content) parameters under drought stress conditions was less evident as was found for cold. Four of the oxidative stress tolerant plants presented both drought and cold tolerance. Our investigations demonstrated that the in vitro microspore selection is a potential way of improving cold and drought tolerance of maize

A vízmegvonás szemfejlődésre gyakorolt hatásának szövettani vizsgálata különböző stressztoleranciával rendelkező búza genotípusok esetén

A globális klímaváltozás által okozott szárazság egyre fokozódó negatív hatással van a mezőgazdaságra, ezért a szárazságstressz-rezisztenciával rendelkező genotípusok jelentősége a jövőben egyre nő. A vízmegvonással szemben toleráns fajták stresszválaszának megértése hozzájárulhat a magasabb szintű stresszrezisztenciával rendelkező genotípusok nemesítéséhez. Munkánk célja volt, hogy felfedjük a búza ivaros folyamatai során alkalmazott, terméscsökkenést okozó szárazságstressz által a fejlődő szemtermésekben előidézett szövettani változásokat. Ennek érdekében vizsgáltuk a meiózis, az antézis és a korai szemfejlődés idején teljes vízmegvonással kiváltott szárazságstressz hatását a szárazság érzékeny Cappelle Desprez valamint a vízmegvonással szemben toleráns Plainsman V őszi búzafajták (Triticum aestivum L.) termésmennyiségére, fertilitására és szemterméseinek morfológiájára. Szövettani módszerekkel vizsgáltuk a fejlődő embriók, a keményítős endospermium sejtek és az azokat körülvevő anyai sejtrétegek morfológiáját érintő változásokat. Sztereológiai módszerekkel határoztuk meg a fejlődő endospermium sejtjeinek számát, valamint a bennük felhalmozódó tartalék tápanyagok mennyiségét, meghatároztuk az A valamint a B típusú keményítőszemcsék sejtenkénti számát valamint a sejtekben a fehérjeraktár funkcióját betöltő fehérjetestek mennyiségét is. A meiózis és az antézis idején alkalmazott kezelések hatására mindkét fajta fertilitása, szemkötése és termése csökkent, szemtermés fejlődése lelassult. Ezzel szemben a sejtalkotók számában nem volt kimutatható változás. A korai szemfejlődés idején alkalmazott vízmegvonás hatására csökkenés következett be az endospermiumban található B típusú keményítőszemcsék számában, míg az aleuron sejtek fejlődése, valamint az ovulumot körülvevő sejtrétegek degradációja mindkét genotípus esetében jelentősen felgyorsult. A korai szemfejlődés idején a vízmegvonás felgyorsította a szemtelítődés ütemét, lerövidítette az érési időt, valamint jelentősen lecsökkentette a termés mennyiségét. Az érett embriók mérete jelentős mértékben elmaradt a kontrolltól az érzékeny Cappelle Desprez esetében, a fajta endospermiumának sejtjei pedig a toleráns Plainsman V- tel összehasonlítva szignifikánsan kevesebb B típusú keményítőt halmoztak fel. A toleráns genotípus kezelt szemterméseiben a fehérjetestek száma jelentősen meghaladta a kontrollra jellemző értéket. Figyelembe véve a vegetatív szövetek regenerációját, a szemkötést valamint a termést, a szárazság toleráns Plainsman V stresszreakciója szignifikánsan jobb volt, mint az érzékeny genotípusé

The effect of n-butanol and 2-aminoethanol on the in vitro androgenesis of maize

Contrary to wheat, in our experiment in vitro androgenic induction of maize microspores was not substantially influenced by n-butanol and 2-aminoethanol treatments. Embryo production of the treated live microspores was increased by max. 7-8% after 6-hour treatment with 0.4% n-butanol and 4 mM 2-aminoethanol. The plant regeneration frequency of the long-term treated (18 hs. with 2mM 2-aminoethanol and 18 hs. with 0.2% n-butanol) microspores was almost 5 times higher that of control. Unlike behaviour of the microspores of this two cereal species could have derived from their altered cytoskeletal systems

Nagy antioxidáns kapacitású, stressz- ill. betegségrezisztens kukorica nemesítési alapanyagok előállítása in vitro szelekciós módszerrel = Production of breeding stocks of maize with high antioxidant capacity and improved stress and pathogene resistance by in vitro selection.

A pályázat célja olyan in vitro szelekciós technika kidolgozása és tesztelése volt, mely lehetővé teszi haploid szövettenyészetekből kiindulva dihaploid, fertilis oxidatív károsodást előidéző stresszekkel szemben ellenálló genotípusok előállítását. Mintegy 60 000 db antérát helyeztünk különböző oxidatív stresszt indukáló vegyületeket (paraquat, menadion, t-BHP, metionin+riboflavin) tartalmazó indukciós táptalajra. Így sikerült előállítani 17 db fertilis DH0 növényt paraquat, 14 db növényt t-BHP-ot, 10 db növényt metionint és riboflavint, valamint 3 db növényt menadion tartalmú táptalajról. E növények utódainak fiziológiai vizsgálatával, in situ festési eljárással, az antioxidáns enzimrendszer részletes vizsgálatával igazoltuk, hogy a szelektált vonalak közül számos nagyobb oxidatív stressz toleranciával rendelkezik, mint a kontroll DH vonalak utódai vagy a kiindulásként használt A-18 hibrid. Az egyes genotípusok hideg- és szárazságtűrésének vizsgálata alapján találtunk olyan genotípusokat, melyek hideg, ill. magas hőmérséklet és szárazság ellen is nagyobb ellenállóságot mutattak, mint a kontrollok. Mindezen vizsgálatokkal igazoltuk, hogy mikrospórák in vitro szelekciója sikeresen megvalósítható oxidatív stressz-t indukáló vegyületek alkalmazásával, belőlük, fertilis dihaploid növények regenerálhatók, melyek közül számos igazoltan oxidatív és egyéb oxidatív módon ható stresszfajtákkal (hideg, szárazság) szemben toleránsabbak, mint a kontroll DH vonalak ill. A-18-s hibrid. | The aim of the project was to elaborate and test an in vitro selection technique based on haploid tissue cultures, allowing the development of fertile doubled haploid genotypes resistant to stress factors inducing oxidative damage. About 60,000 anthers were placed on induction medium containing various compounds inducing oxidative stress (paraquat, menadione, t-BHP, methionine+riboflavin). As the result of selection, the number of fertile DH0 plants developed from the various media was 17 for paraquat, 14 for t-BHP, 10 for methionine+riboflavin and 3 for menadione. Physiological analysis, in situ staining technique and antioxidant enzymes analysis on the progeny of these plants confirmed that many of the selected lines possessed greater oxidative stress tolerance than the progeny of control DH lines or of the A-18 hybrid from which the tissue culture was initiated. An analysis of the cold and drought tolerance of various genotypes showed that among the selected lines with satisfactory resistance there were genotypes exhibiting greater resistance both to cold or high temperature and to drought than the control. The investigations thus proved that the in vitro selection of microspores could be successfully carried out using compounds inducing oxidative stress, leading to the regeneration of fertile doubled haploid plants, many of which were significantly more tolerant to oxidative stress and to other stress factors acting in an oxidative manner (cold, drought) than the control

A búza korai embriófejlődésének mikroanalitikai vizsgálata = Microanalytical investigation of early embryo development in wheat

Új mikroanalitikai eljárást dolgoztunk ki, beleértve az extrakciót és a származékképzést is, a minimális mennyiségű növényi szerv (egyetlen búza magkezdemény) metabolomjának GC/IT MS módszerrel történő minőségi és mennyiségi meghatározására. Létrehoztunk egy elektron ütköztetéses (EI) tömegspektrum könyvtárat a növényi metabolom szerves komponenseinek terc-butildimetilszilil származékaiból. Búza magházakból kimetszett egyetlen magkezdemények metabolit profilját még nem tanulmányozták ill. közölték. Számos szerves komponenst sikeresen azonosítottunk a magkezdemény mintákban (beporzás előtt 1 nappal-tól, beporzás után 4 nappal korúig), beleértve a szénhidrátokat, az aminosavakat, a szerves savakat, a zsírsavakat és más komponenseket. Az analízis eredmények alapján egy új in vitro tenyésztő közeget állítottunk össze a sejt- és szövettenyésztés számára. Az új tenyésztő közeg tesztelése folyamatban van. | We developed a new microanalytical procedure including also extraction and derivatization for the qualitative and quantitative determination of organic compounds by GC/IT MS in the metabolome of minute amount of plant organ (wheat ovule). We established own electron impact (EI) mass spectrum library of tert-butyldimethylsilylated organic compounds of plant metabolome. The metabolite profile of individual wheat ovules excised from wheat ovaries has never been studied and reported. We successfully identified several organic compounds including carbohydrates, amino acids, organic acids, fatty acids and others in the ovule samples (1 day before anthesis to 4 days post anthesis). Based on the analysis results we made up a new in vitro medium for cell and tissue cultures. Testing of the new culture medium is under study

Gabonafélék petesejtjeinek és zigótáinak krioprezerválása = Cryopreservation of gametes in cereals

A pályázat célja a növényi petesejtek ill. zigóták krioprezelválási módszerének kidolgozása gabonaféléken. Meghatároztuk azokat a módszertani feltételeket (adaptációs közeg összetétele, ideje, krioprotektáns anyagok minősége, a fagyasztás módja és a rehidratáció körülményei), melyek segítségével 2 módszert is sikeresen alkalmaztunk növényi petesejtek és zigóták mélyhűtésére. Megállapítottuk, hogy a krioprezervációs módszer sikeressége nagymértékben függ a búza fajtájától. A hidegérézékeny Siete cerros petesejtek csak lassú hűtési eljárással, a hidegtűrő Mironovszkaja az un. vitrifikációs módszerrel is fagyaszthatók. A petesejtekre kidolgozott krioprezervációs módszert sikeresen alkalmaztuk zigóták mélyhűtésére is. Zigóták esetében 10-15%-al nagyobb hatékonyság érhető el. Kimutattuk továbbá, hogy - az aszkorbinsav kedvezően befolyásolja a petesejtek ill. zigóták túlélési képességét úgy a dehidratációs, mind a rehidratációs fázisban. - a krioprotektáns anyagok közül a DMSO, ellentétben számos szomatikus növényi szövettel és sejttel, toxikus hatású a petesejtekre. Helyette a PG sikeresen alkalmzaható. - az előkezelések alacsony hőmérsékleten (T=0°C) végzése mérsékli a krioprotektáns anyagok kedvezőtlen hatását. Strukturális vizsgálatokkal kimutattuk, hogy a krioprezerválás során a petesejtek ill. zigóták belső citoplazmaszerkezete jelentős mértékben árendeződik: az organellumok a plazma sejtmag körüli részén koncentrálódtak, míg a perifériális részen megjelent egy világosabban festődő, organellumokat alig tartalmazó citoplazmarégió. | The aim of the project was to elaborate cryopreservation methods for plant egg-cells and zygotes. The methodological conditions (composition of the adaptation medium, duration of dehydration, quality of cryoprotectants, freezing method, rehydration conditions) were elaborated for deep freezing of plant egg-cells and zygotes. The type of cryopreservation method required and the success with which it could be applied were found to depend greatly on the variety of wheat used in the experiments. While the egg-cells of the cold-sensitive variety Siete Cerros could only be frozen at a slow rate, the vitrification technique was more efficient for the cold-tolerant variety Mironovskaya 808. The cryopreservation method elaborated for egg-cells was also successfully applied to zygotes, where the success rate was 10-15% higher. Moreover, it was demonstrated that -ascorbic acid has a favourable influence on the survival rate of egg-cells and zygotes in both the dehydration and rehydration stages, -among the cryoprotectants tested, DMSO, which can be successfully applied to somatic plant tissues and cells, was found to be toxic to egg-cells, and had to be replaced by PG, -carrying out treatment at low temperature (0°C) reduced the negative effects of the cryoprotectants. Structural analyses revealed a rearrangement of the internal cytoplasm structure in egg-cells and zygotes during cryopreservation: the cell organelles became concentrated in the plasma region around the nucleus, while a more lightly stained cytoplasm region containing hardly any organelles appeared in the peripheral regions