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

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

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

Identification of genes preferentially expressed in wheat egg cells and zygotes

Wheat genes differentially expressed in the egg cell before and after fertilization were identified. The data support zygotic gene activation before the first cell division in wheat. To have an insight into fertilization-induced gene expression, cDNA libraries have been prepared from isolated wheat egg cells and one-celled zygotes. Two-hundred and twenty-six egg cell and 253 zygote-expressed EST sequences were determined. Most of the represented transcripts were detected in the wheat egg cell or zygote transcriptome at the first time. Expression analysis of fourteen of the identified genes and three controls was carried out by real-time quantitative PCR. The preferential expression of all investigated genes in the female gametophyte-derived samples (egg cells, zygotes, two-celled proembryos, and basal ovule parts with synergids) in comparison to the anthers, and the leaves were verified. Three genes with putative signaling/regulatory functions were expressed at a low level in the egg cell but exhibited increased (2-to-33-fold) relative expression in the zygote and the proembryo. Genes with high EST abundance in cDNA libraries exhibited strong expression in the egg cell and the zygote, while the ones coding for unknown or hypothetical proteins exhibited differential expression patterns with preferential transcript accumulation in egg cells and/or zygotes. The obtained data support the activation of the zygotic genome before the first cell division in wheat

A morpho-physiological approach differentiates bread wheat cultivars of contrasting tolerance under cyclic water stress

Leaf micromorphological traits and some physiological parameters with potential relevance to drought tolerance mechanisms were investigated in four selected winter wheat varieties. Plants were subjected to two cycles of drought treatment at anthesis. Yield components confirmed contrasting drought-sensitive and -tolerant behavior of the genotypes. Drought tolerance was associated with small flag leaf surfaces and less frequent occurrence of stomata. Substantial variation of leaf cuticular thickness was found among the cultivars. Thin cuticle coincided with drought sensitivity and correlated with a high rate of dark- adapted water loss from leaves. Unlike in Arabidopsis, thickening of the cuticular matrix in response to water deprivation did not occur. Water stress induced epicuticular wax crystal depositions preferentially on the abaxial leaf surfaces. According to microscopy and electrolyte leakage measurements from leaf tissues, membrane integrity was lost earlier or to a higher extent in sensitive than in tolerant genotypes. Cellular damage and a decline of relative water content of leaves in sensitive cultivars became distinctive during the second cycle of water deprivation. Our results indicate strong variation of traits with potential contribution to the complex phenotype of drought tolerance in wheat genotypes. The maintained mem- brane integrity and relative water content values during repeated water limited periods were found to correlate with drought tolerance in the selection of cultivars investigated