Возможности использования биотехнологических методов в селекции овощных культур в лаборатории селекции и клеточных технологий ВИР

Фундаментальные и прикладные научные исследования в области клеточных технологий растений способствуют успешному развитию селекции сельскохозяйственных культур, позволяя создавать новые формы растений в 2-4 раза быстрее по сравнению с традиционными методами селекции. Для получения чистых линий у большинства овощных культур требуется около 5-7 циклов самоопыления. В результате создание нового сорта/гибрида занимает в среднем более 10-12 лет. Для успешного создания сорта или гибрида необходим подбор родительских пар в виде инбредных линий. Коллекция овощных и бахчевых культур ВИР насчитывает 52 889 образцов, включает представителей 29 семейств, 145 родов, 610 видов. Использование биотехнологических методов является актуальным направлением для ускорения селекции овощных культур. В связи с актуальностью включения клеточных технологий в селекционные программы отдела генетических ресурсов овощных и бахчевых культур ВИР, в 2022 году создана лаборатория селекции и клеточных технологий. Целью исследований новой лаборатории является ускоренное создание исходного материала и новых сортов или гибридов путем сочетания традиционных методов селекции и клеточных технологий. Объектами исследования послужат культурные формы и дикорастущие родичи видов: капуста огородная Brassica oleracea L., репа Brassica rapa L., салат Lactuca L., томат Lycopersicon Mill и овощная сахарная кукуруза Zea mays var. saccharata Sturt. В данном обзоре мы рассматриваем основные результаты селекции капусты, томата и салата, полученные с применением клеточных технологий. Несмотря на достигнутые успехи, в данной области существует ряд проблем. Отсутствие стандартизированных, эффективных и воспроизводимых протоколов методов in vitro часто препятствует их практическому использованию. Задачи, стоящие перед лабораторией по созданию исходного селекционного материала и новых сортов и гибридов с помощью как традиционных методов, так и клеточных технологий, актуальны и соответствуют мировому уровню.

1. Артемьева А.М, Зверева О.А., Кожанова Т.Н., Корнюхин Д.Л., Пискунова Т.М., Смекалова Т.Н., Чухина И.Г. Багмет Л.А. Мобилизация генетических ресурсов овощных и бахчевых культур в XXI веке. Труды по прикладной ботанике, генетики и селекции. 2016;177(2):5-21. DOI: 10.30901/2227-8834-2016-2-5-21

2. Артемьева А.М. Отдел генетических ресурсов овощных и бахчевых культур: история и современность. В кн.: Генетические ресурсы растений для генетических технологий: к 100-летию Пушкинских лабораторий ВИР: материалы Всероссийской научно-практической конференции: тезисы докладов, Санкт-Петербург, 22–23 июня 2022 г. Санкт-Петербург: ВИР; 2022. С.191-193.

3. Байдина А.В. Оптимизация культуры изолированных микроспор и оценка комбинационной способности линий удвоенных гаплоидов капусты белокочанной : автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Москва; 2018.

4. Бутенко P.Г. Биология клеток высших растений in vitro и биотехнологии на их основе. Москва: ФБК-ПРЕСС; 1999.

5. Bal U., Abak K. Haploidy in tomato (Lycopersicum esculentum Mill.): a critical review. Euphytica. 2007;158:1-9. DOI: 10.1007/s10681-007-9427-1

6. Bhatia R. Dey S.S., Sood Sh., Sharma K., Chander P., Kumar R. Efficient microspore embryogenesis in cauliflower (Brassica oleracea var. botrytis L.) for development of plants with different ploidy level and their use in breeding programme. Scientia Horticulturae. 2017;216(3):83-92. DOI: 10.1016/j.scienta.2016.12.020

7. Brown C., Lucas J.A., Power J.B. Plant regeneration from protoplasts of a wild lettuce species (Lactuca saligna L.). Plant Cell Reports. 1987;6(3):180-182. DOI: 10.1007/BF00268472

8. Cao M.Q., Li Y., Liu F., Dore C. Embryogenesis and plant regeneration of pakchoi (Brassica rapa L. ssp. chinensis) via in vitro isolated microspore culture. Plant Cell Reports. 1994;13(8):447-450. DOI: 10.1007/BF00231964

9. Chase S.S. Monoploid frequencies in a commercial double cross hybrid maize and in its component single cross hybrids and inbred lines. Genetics. 1949;34(3):328-332. DOI: 10.1093/genetics/34.3.328

10. Chen Q., Samayoa L.F., Yang C.J., Bradbury P.J., Olukolu B.A., Neumeyer M.A., Romay M.C., Sun Q., Lorant A., Buckler E.S., Ross-Ibarra J., Holland J.B., Doebley J.F. The genetic architecture of the maize progenitor, teosinte, and how it was altered during maize domestication. PLoS Genetics. 2020;16(5):e1008791. DOI: 10.1371/journal.pgen.1008791

11. Chupeau M.C., Maisonneuve B., Bellec Y., Chupeau Y.A Lactuca universal hybridizer, and its use in creation of fertile interspecific somatic hybrids. Molecular and General Genetics. 1994;245(2):139-145. DOI: 10.1007/BF00283260

12. Corral-Martínez P., Nuez F., Seguí-Simarro J.M. Genetic, quantitative and microscopic evidence for fusion of haploid nuclei and growth of somatic calli in cultured ms1035 tomato anthers. Euphytica. 2011;178(2):215-228. DOI: 10.1007/s10681-010-0303-z

13. Dias S.J.C. Protocol for broccoli microspore culture. In: M. Maluszynski, K.J. Kasha, B.P. Forster, I. Szarejko (eds). Doubled haploid production in crop plants: a manual. Springer Science+Business Media New York; 2003. p.195-204.

14. Дьячук Т.И., Хомякова О.В., Акинин В.Н., Кибкало И.А., Поминов А.В. Микроспоровый эмбриогенез in vitro – роль стрессов. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23(1):86-94. DOI: 10.18699/VJ19.466

15. 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. Euphytica. 1992;60(1):45-55. DOI: 10.1007/BF00022257

16. Doerschug M.R., Miller C. Chemical control of adventitious organ formation in Lactuca sativa explants. American Journal of Botany. 1967;54(4):410-413. DOI: 10.1002/j.1537-2197.1967.tb10658.x

17. Домблидес Е.А., Козарь Е.В., Шумилина Д.В., Заячковская Т.В., Ахраменко В.А., Солдатенко А.В. Эмбриогенез в культуре микроспор брокколи. Овощи России. 2018;(1):3-7. DOI: 10.18619/2072-9146-2018-1-3-7

18. Dong Y.Q., Zhao W.X., Li X.H., Liu X.C., Gao N.N., Huang J.H., Wang W.Y., Xu X.L., Tang Z.H. Androgenesis, gynogenesis, and parthenogenesis haploids in cucurbit species. Plant Cell Reports. 2016;35(10):1991-2019. DOI: 10.1007/s00299-016-2018-7

19. Dong Y.Q., Gao Y.H., Zhao T., Ren G.Q., Liu Y.L., Guan B., Jin R.X., Gao F., Zhang Y.L., Tan X.F., Zhu H.C., Zhang Y.H., Zhang J.X., Peng D., Yan Y.X. Influencing factors and physiochemical changes of embryogenesis through in vitro isolated microspore culture in Brassica species. Biologia. 2021;76:2629-2654. DOI: 10.1007/s11756-021-00721-0

20. Dziurka K., Dziurka M., Muszyńska E., Czyczyło-Mysza I., Warchoł M., Juzoń K., Laskoś K., Skrzypek E. Anatomical and hormonal factors determining the development of haploid and zygotic embryos of oat (Avena sativa L.). Scientific Reports. 2022;12(1):548. DOI: 10.1038/s41598-021-04522-y

21. Ferrie A.M.R., Caswell K.L. Isolated microspore culture techniques and recent progress for haploid and doubled haploid plant production. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2011;104:301-309. DOI: 10.1007/s11240-010-9800-y

22. Gu H., Zhao Z., Sheng X., Wang H.Y. Efficient doubled haploid production in microspore culture of loose-curd cauliflower (Brassica oleracea var. botrytis). Euphytica. 2014;195(3):467-475. DOI: 10.1007/s10681-013-1008-x

23. Гуторова О.В., Апанасова Н.В., Юдакова О.И. Создание генетически маркированных линий кукурузы с наследуемым и индуцированным типами партеногенеза. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016;18(2-2):341-344.

24. Hajeri S., Ng J., Grosser J., Vidalakis G. Isolation and transfection of citrus protoplasts with citrus exocortis viroid. Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.). 2022;2316:39-54. DOI: 10.1007/978-1-0716-1464-8_4

25. Hassan M.N., Mekkawy S.A., Mahdy M., Salem K.F.M., Tawfik E. Recent molecular and breeding strategies in lettuce (Lactuca spp.). Genetic Resourses and Crop Evolution. 2021;68:3055-3079. DOI: 10.1007/s10722-021-01246-w

26. Hooghvorst I., Nogués S. Opportunities and challenges in doubled haploids and haploid inducer-mediated genome-editing systems in cucurbits. Agronomy. 2020;10(9):1441. DOI: 10.3390/agronomy10091441

27. Hooghvorst I., Ramos-Fuentes E., López-Cristofannini C., Ortega M., Vidal R., Serrat X., Nogués S. Antimitotic and hormone effects on green double haploid plant production through anther culture of Mediterranean japonica rice. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2018;134:205-215. DOI: 10.1007/s11240-018-1413-x

28. Jiang S., Cheng Q., Yan J., Fu R., Wang X. Genome optimization for improvement of maize breeding. Theoretical and Applied Genetics. 2020;133(5):1491-1502. DOI: 10.1007/s00122-019-03493-z

29. Jeuken M., Lindhout P. Lactuca saligna, a non-host for lettuce downy mildew (Bremia lactucae), harbors a new race-specific Dm gene and three QTLs for resistance. Theoretical and Applied Genetics. 2002;105(2-3);384-391. DOI: 10.1007/s00122-002-0943-z

30. Julião S.A., Carvalho C.R., da Silva T.C.R., Koehler A.D. Multiploidy occurrence in tomato calli from anther culture. African Journal of Biotechnology. 2015;14:2846-2855. DOI: 10.5897/AJB2015.14525

31. Kelliher T., Starr D., Su X., Tang G., Chen Z., Carter J., Wittich P.E., Dong S., Green J., Burch E., McCuiston J., Gu W., Sun Y., Strebe T., Roberts J., Bate N.J., Que Q. One-step genome editing of elite crop germplasm during haploid induction. Nature Biotechnology. 2019;37:287-292. DOI: 10.1038/s41587-019-0038-x

32. Keleş D., Özcan C., Pınar H., Ata A., Denli N., Yücel N., Taşkın H., Büyükalaca S. First report of obtaining haploid plants using tissue culture techniques in spinach. Horticultural Science. 2016;51(6):742-749. DOI: 10.21273/HORTSCI.51.6.742

33. Хатефов Э.Б., Шацкая О.А. Применение гаплоиндукторов в гетероплоидных скрещиваниях для расширения разнообразия генетической основы кукурузы. В кн.: Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы: тезисы докладов II Вавиловской международной конференции, Санкт-Петербург, 26–30 ноября 2007 г. Санкт-Петербург: ВИР; 2007. С.367-369.

34. Хатефов Э.Б., Шомахов Б.Р., Кушхова Р.С., Кудаев Р.А., Хаширова З.Т., Гяургиев А.Х. Характеристика редиплоидных линий кукурузы селекции ВИР по комбинационной способности и реакции на ЦМС. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(4):15-23. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-4-o2

35. Хатефов Э.Б., Хорева В.И., Шомахов Б.Р., Кушхова Р.С., Хаширова З.Т., Кудаев Р.А., Гяургиев А.Х. Редиплоидные линии кукурузы: (ресинтезированные из тетраплоидной популяции диплоидные линии для гибридной селекции кукурузы). Санкт-Петербург: ВИР; 2021. (Каталог мировой коллекции ВИР; вып. 932).

36. Laurie D.A., Bennett M.D. The production of haploid wheat plants from wheat×maize crosses. Theoretical and Applied Genetics. 1988;76:393-397. DOI: 10.1007/BF00265339

37. Lebeda A., Dolezalová I., Feráková V., Astley D. Geographical distribution of wild Lactuca species (Asteraceae, Lactuceae). The Botanical Review. 2004;70(3):328-356. DOI: 10.1663/0006-8101(2004)070[0328:GDOWLS]2.0.CO;2

38. Lee M.H., Lim C.J., Lee I.H., Song J.H. High-purity seed production of doubled haploid Chinese cabbage [Brassica rapa L. ssp. pekinensis (Lour.)] through microspore culture. Plant Breeding and Biotechnology. 2014;2(2):167-175. DOI: 10.9787/PBB.2014.2.2.167

39. Lemonnier-Le Penhuizic C., Chatelet C., Kloareg B., Potin P. Carrageenan oligosaccharides enhance stress-induced microspore embryogenesis in Brassica oleracea var italica. Plant Science. 2001;160(6):1211-1220. DOI: 10.1016/s0168-9452(01)00372-7

40. Li Z., Han L., Luo Z., Li L. Single-molecule long-read sequencing reveals extensive genomic and transcriptomic variation between maize and its wild relative teosinte (Zea mays ssp. parviglumis). Molecular Ecology Resources. 2022;22(1):272-282. DOI: 10.1111/1755-0998.13454

41. Lichter R. Induction of haploid plants from isolated pollen of Brassica napus. Zeitschrift für Pflanzenphysiologie = International Journal of Plant Physiology. 1982;105(5):427-434. DOI: 10.1016/S0044-328X(82)80040-8

42. Лю С., Ульянов А.В., Хатефов Э.Б. Использование генов R-nj, B1, Pl1 для улучшения маркерных свойств в селекции гаплоиндукторов кукурузы. Экологическая генетика. 2022;20(3):193-202. DOI: 10.17816/ecogen108374

43. Lorant A., Ross-Ibarra J., Tenaillon M. Genomics of long- and short-term adaptation in maize and teosintes. Methods in Molecular Biology. 2020;2090:289-311. DOI: 10.1007/978-1-0716-0199-0_12

44. Matsuoka Y., Vigouroux Y., Goodman M.M., Sanchez G.J., Buckler E., Doebley J. A single domestication for maize shown by multilocus microsatellite genotyping. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2002;99:6080-6084. DOI: 10.1073/pnas.052125199

45. Matsumoto E. Interspecific somatic hybridization between lettuce (Lactuca sativa) and wild species L. virosa. Plant Cell Reports. 1991;9(10):531-534. DOI: 10.1007/BF00232325

46. Medeiros D.B., Brotman Y., Fernie A.R. The utility of metabolomics as a tool to inform maize biology. Plant Communications. 2021;2(4):100187. DOI: 10.1016/j.xplc.2021.100187

47. Michelmore R.W., Eash J.A. Tissue culture of lettuce. In: D.A. Evans, W.R. Sharp , P.V. Amirato (eds). Handbook of Plant Cell Culture. Vol. 4. Techniques and applications. London: Collier MacMillan; 1986. p.512-551.

48. Минейкина А.И. Создание исходного материала капусты белокочанной с использованием современных методов селекции: автореф. дис. … канд. с.-х. наук. Москва; 2018.

49. Монахос С.Г. Интеграция современных биотехнологических и классических методов в селекции овощных культур: дис. … д-ра. с.-х. наук. Москва; 2015.

50. Mou B. Mutations in lettuce improvement. International Journal of Plant Genomics. 2011;2011:723518. DOI: 10.1155/2011/723518

51. Niazian M., Shariatpanahi M.E., Abdipour M., Oroojloo M. Modeling callus induction and regeneration in an anther culture of tomato (Lycopersicon esculentum L.) using image processing and artificial neural network method. Protoplasma. 2019;256:1317-1332. DOI: 10.1007/s00709-019-01379-x

52. Olmedilla A. Microspore Embryogenesis. In: E. Pua, M. Davey (eds). Plant Developmental Biology - Biotechnological Perspectives. Berlin, Heidelberg: Springer; 2010. p.27-44. DOI: 10.1007/978-3-642-04670-4_2

53. Ockendon D.J., Sutherland R.A. Genetic and nongenetic factors affecting anther culture of Brussels sprout (Brassica oleracea var. gemmifera). Theoretical and Applied Genetics. 1987;74(5):566-570. DOI: 10.1007/BF00288853

54. Piperno D.R., Ranere A.J., Holst I., Iriarte J., Dickau R. Starch grain and phytolith evidence for early ninth millennium B.P. maize from the Central Balsas River Valley, Mexico. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009;106:5019-5024. DOI: 10.1073/pnas.0812525106

55. Пивоваров В., Шмыкова Н., Супрунова Т. Биотехнологические приемы в селекции овощных культур. Овощи России. 2011;3(12):10-17. URL: https://sciup.org/14024894 [дата обращения: 17.11.2022].

56. Попова А.С., Старухина А.О., Зайцев В.Г. Оптимизация продукции сесквитерпеновых лактонов как перспективная цель селекции посевного салата (Lactuca sativa). Научно-агрономический журнал. 2020;4(111):59-63. DOI: 10.34736/FNC.2020.111.4.011.59-63.

57. Reed K.M., Bargmann B.O.R. Protoplast regeneration and its use in new plant breeding technologies. Frontiers in Genome Editing. 2021;3:734951. DOI: 10.3389/fgeed.2021.734951

58. Rudolf K., Bohanec B., Hansen M. Microspore culture of white cabbage, Brassica oleracea var. capitata L.: Genetic improvement of nonresponsive cultivars and effect of genome doubling agents. Plant Breeding. 1999;118(3):237-241. DOI: 10.1046/j.1439-0523.1999.118003237.x

59. Qu Y., Liu Z., Zhang Y., Yang J., Li H. Improving the sorting efficiency of maize haploid kernels using an NMR-based method with oil content double thresholds. Plant Methods. 2021;17:2. DOI: 10.1186/s13007-020-00703-4

60. Самко О.В., Снигирева А.В. Использование технологии соматической гибридизации в селекции растений. Амурский научный вестник. 2009;(1):233-239.

61. Seguí-Simarro J.M. Androgenesis in Solanaceae. In: M.A. Germanà , M. Lambardi (eds.). In Vitro Embryogenesis in Higher Plants. Methods in Molecular Biology. New York, NY, USA: Springer Science + Business Media; 2016. p.209-244. DOI: 10.1007/978-1-4939-3061-6_9

62. Seguí-Simarro J.M., Jacquier N.M.A., Widiez T. Overview of in vitro and in vivo doubled haploid technologies. Methods in molecular biology (Clifton N.J.). 2021;2287:3-22. DOI: 10.1007/978-1-0716-1315-3_1

63. Shen J., Fu J., Ma J., Wang X., Gao C., Zhuang C., Wan J., Jiang L. Isolation, culture, and transient transformation of plant protoplasts. Current Protocols in Cell Biology. 2014;63:2.8.1-2.8.17. DOI: 10.1002/0471143030.cb0208s63

64. Шмыкова Н.А., Шумилина Д.В., Супрунова Т.П. Получение удвоенных гаплоидов у видов рода Brassica L. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015;19(1):111-120. DOI: 10.18699/VJ15.014

65. Спиридович Е.В. Ботанические коллекции: документирование и биотехнологические аспекты использования. Минск: Белорусская наука, 2015.

66. Subramanya R., Vest G., Honma S. Inheritance of nitrate accumulation in lettuce. Horticultural Science. 1980;15(4):525-526. DOI: 10.21273/HORTSCI.15.4.525

67. Song D., Han Q., Dong Z., He Z. Genetic transformation of lettuce (Lactuca sativa): a review. African Journal of Biotechnology. 2014;13:1686-1693. DOI: 10.5897/AJB2014.13651

68. Stitzer M.C., Ross-Ibarra J. Maize domestication and gene interaction. The New Phytologist. 2018;220(2):395-408. DOI: 10.1111/nph.15350

69. Takahashi Y., Yokoi S., Takahata Y. Effects of genotypes and culture conditions on microspore embryogenesis and plant regeneration in several subspecies of Brassica rapa L. Plant Biotechnology Reports. 2012:6(4):297-304. DOI: 10.1007/s11816-012-0224-5

70. Ульянов А.В., Карлов А.В., Хатефов Э.Б. Использование гаплоиндукторов кукурузы как инструмента в биотехнологии сельскохозяйственных растений. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2022;26(7):704-713. DOI: 10.18699/VJGB-22-85

71. Verpoorte R. Choi Y.H., Kim H.K. NMR-based metabolomics at work in phytochemistry. Phytochemistry Reviews. 2007;6(1):3-14. DOI: 10.1007/s11101-006-9031-3

72. Wang B., Zhu L., Zhao B., Zhao Y., Xie Y., Zheng Z., Li Y., Sun J., Wang H. Development of a haploid-inducer mediated genome editing system for accelerating maize breeding. Molecular Plant. 2019;12(4):597-602. DOI: 10.1016/j.molp.2019.03.006

73. Weber A., Clark R.M., Vaughn L., Sánchez-Gonzalez J. de J., Yu J., Yandell B.S., Bradbury P., Doebley J. Major regulatory genes in maize contribute to standing variation in teosinte (Zea mays ssp. parviglumis). Genetics. 2007;177(4):2349-2359. DOI: 10.1534/genetics.107.080424

74. Winarto B., Teixeira da Silva J.A. Microspore culture protocol for Indonesian Brassica oleracea. Plant Cell and Tissue Organ Culture. 2011;107:305-315. DOI: 10.1007/s11240-011-9981-z

75. Yuan S.X., Su Y.B., Liu Y.M., Fang Z.Y., Yang L.M., Zhuang M., Zhang Y.Y., Sun P.T. Effects of pH, MES, arabinogalactan-proteins on microspore cultures in white cabbage. Plant Cell and Tissue Organ Culture. 2012;110:69-76. DOI: 10.1007/s11240-012-0131-z

76. Yuan S., Su Y., Liu Y., Li Z., Fang Z., Yang L., Zhuang M., Zhang Y., Lu H., Sun P. Chromosome doubling of microspore-derived plants from cabbage (Brassica oleracea var. capitata L.) and broccoli (Brassica oleracea var. italica L.). Plant Science. 2015(6):1-10. DOI: 10.3389/fpls.2015.01118

77. Zayachkovskaya T., Domblides E., Zayachkovsky V., Kan L., Domblides A., Soldatenko A. Production of gynogenic plants of red beet (Beta vulgaris L.) in unpollinated ovule culture in vitro. Plants. 2021;10(12):2703. DOI: 10.3390/plants10122703

78. Zhang W., Qiang F., Xigang D., Manzhu B. The culture of isolated microspores of ornamental kale (Brassica oleracea var. acephala) and the importance of genotype to embryo regeneration. Scientia Horticulturae. 2008;117(1):69-72. DOI: 10.1016/j.scienta.2008.03.023

79. Zhong Y., Chen B., Wang D., Zhu X., Li M., Zhang J., Chen M., Wang M., Riksen T., Liu J., Qi X., Wang Y., Cheng D., Liu Z., Li J., Chen C., Jiao Y., Liu W., Huang S., Liu C., Boutilier K., Chen S. In vivo maternal haploid induction in tomato. Plant Biotechnology Journal. 2022;20:250-252. DOI: 10.1111/pbi.13755