Селекція in vitro тритикале на стійкість до абіотичних стресових чинників (огляд)

Сreation of new grain crop triticale is a significant achievement of modern genetics and plant breeding. Its varieties are successfully introduced into agricultural production However, over the years grain production of this cereal crop is unstable. Abiotic stressors are the main factors limiting productivity of crops and triticale in particular. Therefore, the tolerance to abiotic environmental stress factors is important for breeding improvement of triticale that will increase the crop area in regions with adverse climatic conditions. Use of cell technologies is significant in triticale breeding because they create genetic diversity at the level of somatic cells followed by screening genotypes with valuable traits. In vitro selection is one of the modern innovative directions that allow to expand the range of source material and activate breeding process aimed at creating high-performance tolerant varieties. The review highlights the main achievements of Ukrainian and foreign scientists regarding to in vitro selection of triticale for tolerance to abiotic environmental stress factors, including water deficit, salinity, aluminum ions. The main directions, selection and assessment methods, as well as opportunities, prospects, and problems of one of the most important branches of modern plant biotechnology are identified. The results of analysing literary sources indicate that despite the successes and significant achievements in development and use of cellular technologies, a number of methodological problems that reduce the scale of the introduction of biotechnological creations into practice remain unresolved. Further progress in the cell selection of triticale depends not only on the development of cellular technologies, but also on a deeper understanding molecular mechanisms of regulation and expression of tolerance genes. Studying the features and mechanisms of in vitro genomic variation of triticale when exposed to abiotic stressors and searching for ways to regulate it will allow more efficiently use cell selection technology, somaclonal variation, and more biotechnological approaches.Значительным достижением современной генетики и селекции растений является создание новой зерновой культуры – тритикале, сорта которого успешно внедряются в сельскохозяйственное производство. Однако в разные годы производство зерна этого злака нестабильно. Основными факторами ограничения продуктивности сельскохозяйственных культур и тритикале в частности являются абиотические стрессоры. Поэтому важное значение для селекционного улучшения тритикале имеет его устойчивость к абиотическим стрессовым факторам окружающей среды, что позволит увеличить площади этой культуры в районах с неблагоприятными климатическими условиями. Значимым в селекции тритикале является использование клеточных технологий, благодаря которым создается генетическое разнообразие на уровне соматических клеток с последующим скринингом генотипов, имеющих ценные признаки. Одним из инновационных направлений, позволяющих расширить спектр исходного материала и активизировать селекционный процесс, нацеленный на создание высокопродуктивных устойчивых сортов, является селекция in vitro. В представленном обзоре освещены основные достижения отечественных и зарубежных ученых касательно селекции in vitro тритикале на устойчивость к абиотическим стрессовым факторам окружающей среды, в частности водному дефициту, засолению, загрязнению ионами алюминия. Определены основные направления, методы отбора и оценки, а также возможности, перспективы и проблемы клеточной селекции – одной из важнейших отраслей современной биотехнологии растений. Анализ литературных источников свидетельствует, что несмотря на успехи и значительные достижения в развитии и использовании клеточных технологий, остается нерешенным ряд методических проблем, что снижает масштабы внедрения биотехнологических разработок в практику. Дальнейший прогресс в клеточной селекции тритикале зависит не только от развития клеточных технологий, но и от более глубокого познания молекулярных механизмов регуляции и экспрессии генов устойчивости. Изучение особенностей и механизмов геномной изменчивости in vitro тритикале при воздействии абиотических стрессоров и поиски путей ее регуляции позволят более эффективно использовать технологию клеточной селекции, сомаклональную изменчивость и другие биотехнологические подходы.Значним досягненням сучасної генетики і селекції рослин є створення нової зернової культури – тритикале, сорти якого успішно впроваджуються в сільськогосподарське виробництво. Проте в різні роки виробництво зерна цього злаку є нестабільним. Основними факторами обмеження продуктивності сільськогосподарських культур та тритикале зокрема є абіотичні стресори. Тому важливе значення для селекційного поліпшення тритикале має стійкість до абіотичних стресових чинників довкілля, що дасть змогу збільшити площі під цією культурою в районах з несприятливими кліматичними умовами. Значущим у селекції тритикале є використання клітинних технологій, завдяки яким створюється генетичне розмаїття на рівні соматичних клітин, з наступним скринінгом генотипів, що мають цінні ознаки. Одним з інноваційних напрямів, що дають змогу розширити спектр вихідного матеріалу й активізувати селекційний процес, спрямований на створення високопродуктивних стійких сортів, є клітинна селекція. У представленому огляді висвітлено основні досягнення вітчизняних і зарубіжних учених щодо селекції in vitro тритикале на стійкість до абіотичних стресових чинників довкілля, зокрема водного дефіциту, засолення, забруднення іонами алюмінію. Окреслено основні напрями, методи добору та оцінювання, а також можливості, перспективи і проблеми клітинної селекції – однієї з найважливіших галузей сучасної біотехнології рослин. Аналіз літературних джерел свідчить, що незважаючи на успіхи та значні досягнення в розвитку та використанні клітинних технологій розв’язання потребують ряд методичних проблем, які знижують масштаби впровадження біотехнологічних розробок у практику. Подальший прогрес у клітинній селекції тритикале залежить не лише від розвитку клітинних технологій, але й від більш глибокого пізнання молекулярних механізмів регуляції та експресії генів стійкості. Вивчення особливостей та механізмів геномної мінливості in vitro тритикале за дії абіотичних стресорів та пошуки шляхів її регуляції дадуть змогу більш ефективно використовувати технологію клітинної селекції, сомаклональну мінливість та інші біотехнологічні підходи

Солестійкість рослин R1 тритикале, отриманих шляхом клітинної селекції

Purpose. To analyze the level of salinity tolerance in winter triticale plants R1 derived from R0 plants obtained by cell selection with sodium chloride as a stress factor, when measuring length of the main root and shoot in 10-day-old seedlings. Methods. Two winter triticale genotypes developed at Myronivka: the line 38/1296 and the variety Obrii Myronivskyi were studied. The estimation of salinity tolerance of triticale R1 plants was carried out in laboratory experiments. Methods of statistical analysis of experimental data were applied to confirm their significance. Results. The level of salinity tolerance of winter triticale plants R1 obtained from cell selection has been analyzed. It was shown that despite the presence of sodium chloride in the nutrient substrate at concentration of 1.5 %, resistant triticale plants R1 maintained their vigour. This points to their increased salinity tolerance. In both winter triticale genotypes the lines with high salt tolerance were isolated. In these lines the length of the main roots and shoots in sprouted seeds reliably exceeded the same indices in control seedlings. It was established that among R1 plants of the line 38/1296 and the variety Obrii Myronivskyi the somaclonal lines 4L/sl5-1 and 3С/sl4-1 respectively, were the most tolerant to salt stress, because the length of the main root and shoot of the 10-day-old seedlings under stress conditions were significantly higher than that of the plants of original genotype. The results obtained confirmed the possibility of using in vitro selection to screen plants with improved polygenic traits. Conclusions. Tolerance to salt stress in isolated in vitro cells maintained in regenerated plants and has provided increased salinity tolerance at the whole plant level. The results obtained may indicate that the triticale plants R1 possess genetically determined salinity tolerance.Цель. Проанализировать уровень устойчивости к засолению растений R1 тритикале озимого, полученных методами клеточной селекции из растений-регенерантов R0, по длине побега и главного корня 10-суточных проростков с использованием хлорида натрия как стрессового фактора. Методы. Исследовали генотипы тритикале озимого мироновской селекции (линия 38/1296 и сорт Обрій Миронівський). Оценка устойчивости к засолению растений R1 тритикале проведена в условиях лабораторного опыта. Для анализа экспериментальных данных и подтверждения их достоверности использованы методы статистической обработки. Результаты. Проанализирован уровень устойчивости к засолению растений R1 тритикале озимого, полученных методом клеточной селекции. Показано, что несмотря на наличие в питательном субстрате хлорида натрия в концентрации 1,5 % устойчивые растения R1 тритикале продолжали активно развиваться. Это свидетельствует о повышенной их толерантности к засолению. У обоих генотипов тритикале озимого были выделены линии с повышенной солеустойчивостью. Длина главных корней и побегов у проросших семян этих линий достоверно превышала данный показатель в контроле. Установлено, что среди растений R1 линии 38/1296 и сорта Обрій Миронівський наиболее устойчивыми к солевому стрессу были сомаклональные линии 4Л/сл5-1 и 3С/сл4-1 соответственно, поскольку длина главного корня и побега их проростков в селективных условиях была достоверно выше, нежели у растений исходного генотипа. Полученные результаты подтвердили возможность использования клеточной селекции in vitro для отбора растений с улучшенными полигенными признаками. Выводы. Устойчивость к солевому стрессу выделенных in vitro клеток сохранилась у регенерированных растений и на уровне организма обеспечила повышение толерантности к засолению. Полученные результаты могут свидетельствовать о том, что растения R1 тритикале имеют генетически обусловленный признак солеустойчивости.Мета. Проаналізувати рівень стійкості до засолення рослин R1 тритикале озимого, отриманих методами клітинної селекції з рослин-регенерантів R0, за довжиною пагона і головного кореня 10-добових проростків з використанням хлориду натрію як стресового чинника. Методи. Досліджували генотипи тритикале озимого миронівської селекції (лінія 38/1296 та сорт Обрій Миронівський). Оцінку стійкості до засолення рослин R1 тритикале проведено в умовах лабораторного досліду. Для аналізу експериментальних даних та підтвердження їх достовірності використано методи статистичної обробки. Результати. Проаналізовано рівень стійкості до засолення рослин R1 тритикале озимого, отриманих методом клітинної селекції. Показано, що незважаючи на наявність у живильному субстраті хлориду натрію в концентрації 1,5 % стійкі рослини R1 тритикале продовжували активно розвиватись. Це свідчить про їх підвищену толерантність до засолення. У обох генотипів тритикале озимого виділено лінії з підвищеною солестійкістю. Довжина головних коренів та пагонів у пророслого насіння цих ліній достовірно перевищувала цей показник у контролі. Встановлено, що серед рослин R1 лінії 38/1296 та сорту Обрій Миронівський найбільш стійкими до сольового стресу були сомаклональні лінії 4Л/сл5-1 та 3С/сл4-1 відповідно, оскільки довжина головного кореня та пагона їх проростків за селективних умов була достовірно вищою, ніж у рослин вихідного генотипу. Отримані результати підтвердили можливість використання клітинної селекції in vitro для добору рослин з покращеними полігенними ознаками. Висновки. Стійкість до сольового стресу виділених in vitro клітин збереглася в регенерованих рослинах і на рівні організму забезпечила підвищення толерантності до засолення. Отримані результати можуть свідчити про те, що рослини R1 тритикале мають генетично обумовлену ознаку солестійкості

Регенераційна здатність тритикале в культурі апікальних меристем пагонів залежно від генотипу та віку експланта

Purpose. To analyze the effect of genotype and explant age on regenerative ability of winter triticale in shoot apical meristem culture. Methods. There were studied 10 winter triticale genotypes (varieties Obrii Myronivskyi, Myrolan, ADM 11, Izomer, Baltiko, Lider, Kvazar, lines 38/1296, 1324 and F2 hybrid 809). Methods of in vitro plant tissue culture and statistical evaluation were used. Results. Comparative analysis of the frequency of callus induction and plant regeneration in shoot apical meristem culture of different ages in 10 genotypes of winter triticale was carried out. In the forms studied genotypic dependence of callus induction and shoot regeneration in in vitro culture was found. Direct dependence between explant age and regenerative capacity of calluses derived from seedling apexes was not detected. The frequency of regeneration from calli induced from shoot apical meristem of 1 and 3-day seedlings differed only in the varieties Baltiko, Myrolan and Izomer, the reliable difference by this indicator in other genotypes was not found. Two types of callus (morphogenic and nonmorphogenic calli) were identified that were formed regardless of explant age. It was revealed that plant regeneration from calli occurred through both gemmorhizogenesis and somatic embryogenesis. It was established that the line 38/1296 was characterized with the highest frequency of callus induction and shoot regeneration; its explants produced the greatest number of regenerated plants. The lowest frequency of callus induction and shoot regeneration was found in the variety ADM 11. Conclusions. In the genotypes studied there was a positive correlation between the frequency of callus induction and shoot regeneration. The optimized procedure of vigorous regenerated plant production of winter triticale in in vitro callus culture can be used in cell selection and genetic engineering experiments, it would significantly accelerate triticale breeding as well as supplement and enlarge genetic variability needed to develop new varieties with specified characteristics.Цель. Проанализировать влияние генотипа и возраста экспланта на регенерационную способность тритикале озимого в культуре апикальных меристем побегов. Методика. Исследовали 10 генотипов тритикале озимого (сорта Обрій Миронівський, Миролан, АДМ 11, Ізомер, Baltiko, Лидер, Квазар, линии 38/1296, 1324 и гибрид F2 809). Применяли методы культуры тканей и органов in vitro, статистического анализа. Результаты. Проведен сравнительный анализ частоты индукции каллусов и регенерации растений в культуре апикальных меристем побегов разного возраста у 10 генотипов тритикале озимого. У изученных форм отмечена генотипическая зависимость процессов каллусогенеза и регенерации побегов в культуре in vitro. Прямой зависимости между возрастом эксплантов и регенерационной способностью каллусов, полученных из апексов проростков, не было обнаружено. Частота регенерации из каллусов, полученных из апикальных меристем побегов 1- и 3-суточных проростков, отличалась только у сортов Baltiko, Миролан и Ізомер, у остальных генотипов достоверных различий по этому показателю не наблюдали. Выделены два типа каллусов (морфогенные и неморфогенные), образование которых не зависело от возраста экспланта. Выявлено, что регенерация растений из каллусов происходила путем как геморизогенеза, так и соматического эмбриоидогенеза. Установлено, что наибольшей частотой каллусогенеза и регенерации побегов характеризовалась линия 38/1296, из эксплантов которой было получено наибольшее количество растений-регенерантов. Наименьшая частота индукции каллуса и регенерации побегов выявлена у сорта АДМ 11. Выводы. У исследуемых генотипов наблюдали положительную связь между частотой каллусогенеза и регенерации побегов. Оптимизированный регламент получения полноценных растений-регенерантов тритикале озимого в каллусной культуре in vitro может быть использован в клеточной селекции и генно-инженерных экспериментах, что значительно ускорит селекцию тритикале, а также дополнит и расширит генетическую изменчивость, необходимую для получения новых сортов с заданными признаками.Мета. Проаналізувати вплив генотипу та віку експланта на регенераційну здатність тритикале озимого в культурі апікальних меристем пагонів. Методика. Досліджували 10 генотипів тритикале озимого (сорти Обрій Миронівський, Миролан, АДМ 11, Ізомер, Baltiko, Лидер, Квазар, лінії 38/1296, 1324 та гібрид F2 809). Застосовано методи культури тканин і органів in vitro, статистичного аналізу. Результати. Проведено порівняльний аналіз частоти індукції калюсів і регенерації рослин у культурі апікальних меристем пагонів різного віку в 10 генотипів тритикале озимого. У вивчених форм відзначено генотипову залежність процесів калюсогенезу і регенерації пагонів у культурі in vitro. Прямої залежності між віком експлантів і регенераційною здатністю калюсів, отриманих з апексів проростків, не було виявлено. Частота регенерації з калюсів, отриманих з апікальних меристем пагонів 1- і 3-добових проростків, відрізнялась лише у сортів Baltiko, Миролан та Ізомер, у решти генотипів достовірної різниці за цим показником не спостерігали. Виділено два типи калюсів (морфогенні і неморфогенні), утворення яких не залежало від віку експланта. Виявлено, що регенерація рослин з калюсів відбувалася шляхом як геморизогенезу, так і соматичного ембріоїдогенезу. Встановлено, що найвищою частотою калюсогенезу і регенерації пагонів характеризувалась лінія 38/1296, з експлантів якої було отримано найбільшу кількість рослин-регенерантів. Найменша частота індукції калюсу і регенерації пагонів була виявлена у сорту АДМ 11. Висновки. У досліджуваних генотипів спостерігали позитивний зв'язок між частотою калюсогенезу та регенерацією пагонів. Оптимізований регламент отримання повноцінних рослин-регенерантів тритикале озимого в калюсній культурі in vitro може бути використаний у клітинній селекції та генно-інженерних експериментах, що значно прискорить селекцію тритикале, а також доповнить та розширить генетичну мінливість, необхідну для отримання нових сортів із заданими ознаками

Морфогенетичні процеси в культурі апікальних меристем пагонів пшениці та їх взаємозв’язок

Purpose. To study morphogenetic processes in in vitro culture of apical meristem of 3-day-old seedlings of bread winter wheat varieties and to reveal the relationship between them. Methods. There were used 12 bread winter wheat varieties: MIP Kniazhna, Horlytsia myronivska, Rozkishna, Hordovyta, Elehiia, Shchedra nyva, Zira, Statna, MIP Valensiia, Albatros odeskyi, Poliska 90, Podolianka. Methods of plant tissue and organ in vitro culture and statistical evaluation were used. Results. The response of bread winter wheat varieties to in vitro culture of apical meristem of 3-day-old seedlings was investigated and the relationship of morphogenetic processes was studied. Two types of callus by morphophysiological properties were identified: morphogenic and nonmorphogenic one. Development of regenerated plants from wheat calli occurred via both gemmorhizogenesis and somatic embryogenesis. The variety Podolianka was characterized with the highest regeneration ability; from its explants the greatest numbers of regenerated plants were obtained. The lowest regeneration potential was found in the variety Poliska 90. Strong positive statistically significant correlation (r = 0.84) was established between formation of morphogenic callus and shoot regeneration which indicates the possible existence of general genetic system that controls these processes. Strong negative correlation (r = -0.88) between rhizogenesis and shoot regeneration was revealed. Significant correlation between callus induction and morphogenetic processes was not found, indicating no direct relation between genetic factors which control them. Conclusions. In the varieties studied the frequencies of callus induction and shoot regeneration were defined by genotype of explant. The results obtained contribute to the study of theoretical aspects of in vitro morphogenesis processes in wheat and can be used as elements of biotechnological programs. The variety Podolianka is recommended as a model object for plant cell engineering, as well as for further research in wheat biotechnology.Цель. Исследовать процессы морфогенеза in vitro в культуре апикальных меристем 3-дневных проростков сортов озимой мягкой пшеницы и выявить взаимосвязь между ними. Методы. Исследовали 12 сортов озимой мягкой пшеницы: МІП Княжна, Горлиця миронівська, Розкішна, Гордовита, Елегія, Щедра нива, Зіра, Статна, МІП Валенсія, Альбатрос одеський, Поліська 90, Подолянка. Использованы методы культуры тканей и органов in vitro, статистического анализа. Результаты. Изучена реакция сортов озимой мягкой пшеницы на условия культивирования апикальных меристем 3-суточных проростков и исследована взаимосвязь морфогенетических процессов in vitro. По морфофизиологическим свойствам выделены два типа каллуса: морфогенный и неморфогенный. Формирование растений-регенерантов из каллусов пшеницы происходило путем как гемморизогенеза, так и соматического эмбриоидогенеза. Установлено, что высокой регенерационной способностью характеризовался сорт Подолянка, из эксплантов которого было получено наибольшее количество растений-регенерантов. Самый низкий регенерационный потенциал выявлен у сорта Поліська 90. Установлена сильная положительная статистически достоверная корреляция (r = 0,84) между частотой образования морфогенного каллуса и регенерации побегов, что свидетельствует о возможном существовании общей генетической системы, контролирующей эти процессы. Выявлена сильная отрицательная связь (r = -0,88) между частотой индукции ризогенеза и регенерации побегов. Между частотой каллусогенеза и морфогенетических процессов достоверной зависимости не обнаружено, что указывает на отсутствие прямой связи между контролирующими их генетическими факторами. Выводы. У исследуемых сортов частота каллусогенеза и регенерации побегов определяется генотипом экспланта. Полученные результаты вносят определенный вклад в изучение теоретических аспектов процессов морфогенеза in vitro пшеницы и могут применяться как элементы биотехнологических программ. Сорт Подолянка рекомендован в качестве модельного объекта в клеточной инженерии, а также для дальнейших исследований в биотехнологии пшеницы.Мета. Дослідити процеси морфогенезу in vitro в культурі апікальних меристем 3-добових проростків сортів пшениці м’якої озимої та виявити взаємозв’язок між ними. Методи. Досліджували 12 сортів пшениці м’якої озимої: МІП Княжна, Горлиця миронівська, Розкішна, Гордовита, Елегія, Щедра нива, Зіра, Статна, МІП Валенсія, Альбатрос одеський, Поліська 90, Подолянка. Застосовано методи культури тканин і органів in vitro, статистичного аналізу. Результати. Вивчено реакцію сортів пшениці м'якої озимої на умови культивування апікальних меристем 3-добових проростків та досліджено взаємозв’язок морфогенетичних процесів in vitro. За морфофізіологічними властивостями виділено два типи калюсу: морфогенний і неморфогенний. Формування рослин-регенерантів з калюсів відбувалося шляхом як геморизогенезу, так і соматичного ембріоїдогенезу. Встановлено, що високою регенераційною здатністю характеризувався сорт Подолянка, з експлантів якого було отримано найбільшу кількість рослин-регенерантів. Найнижчий регенераційний потенціал виявлено у сорту Поліська 90. Встановлена сильна позитивна статистично достовірна кореляція (r = 0,84) між частотою утворення морфогенних калюсів і регенерації пагонів, що свідчить про можливе існування загальної генетичної системи, яка контролює ці процеси. Виявлено сильний зворотний зв’язок (r = -0,88) між частотою індукції ризогенезу і регенерації пагонів. Між частотою калюсогенезу та морфогенетичних процесів вірогідної кореляції не виявлено, що вказує на відсутність прямого зв’язку між генетичними чинниками, які їх контролюють. Висновки. У досліджених сортів частоти калюсогенезу та регенерації пагонів визначаються генотипом експланта. Отримані результати є певним внеском у вивчення теоретичних аспектів процесів морфогенезу in vitro пшениці та можуть застосовуватись як елементи біотехнологічних програм. Сорт Подолянка рекомендований як модельний об’єкт у клітинній інженерії, а також для подальших досліджень у біотехнології пшениці