Индукция эмбриогенеза в культуре изолированных микроспор Brassica rapa L.

На сегодняшний день создание гибридов F₁, сочетающих в себе высокую продуктивность, ценный биохимический состав и устойчивость к биотическим и абиотическим факторам среды, является актуальным направлением работы с культурами семейства капустные (Brassicaceae Burnett).

Для создания однородного, генетически стабильного исходного материала в селекции применяют методы клеточных технологий in vitro, которые призваны увеличить выход удвоенных гаплоидов, используемых в качестве исходного материала при создании новых сортов и гибридов.

Brassica rapa L. включает однолетние и двулетние культуры. Методами традиционной селекции B. rapa получение селекционно ценных гибридов F₁ возможно не менее, чем за 8-10 лет. При помощи современной технологии производства удвоенных гаплоидов в культуре изолированных микроспор этот процесс можно сократить до 2-3 лет.

B. rapa является одним из наименее пригодных видов для культивирования микроспор in vitro в пределах рода Brassica, большинство исследуемых образцов являются самонесовместимыми, сохраняют высокую степень гетерозиготности и гетерогенности. На сегодняшний день не существует эффективного протокола, который одинаково подойдет для индукции эмбриогенеза у различных образцов B. rapa.

Эмбриогенез в культуре изолированных микроспор рода Brassica зависит от стадии развития микроспор, предобработки бутонов, состава питательной среды (макро- и микроэлементы, источники железа, органические добавки, углеводы, регуляторы роста) и условий культивирования. Кроме того, этот процесс сильно зависит от генотипа отдельного растения.

В данном обзоре отражены основные достижения в разработке протоколов получения удвоенных гаплоидов B. rapa. Особое внимание уделено факторам, влияющим на эффективность производства гаплоидов в культуре изолированных микроспор.

1. Adamus A., Szklarczyk M., Kiełkowska A. Haploid and doubled haploid plant production in Brassica rapa L. subsp. pekinensis via microspore culture. In: J.M. Segui-Simarro (ed.). Doubled Haploid Technology. Methods in Molecular Biology. New York: Humana; 2021. Vol. 2288. p.181-199. DOI: 10.1007/978-1-0716-1335-1_11

2. Agarwal P.K., Agarwal P., Custers J.B.M., Chun-ming L., Bhojwani S.S. PCIB an antiauxin enhances microspore embryogenesis in microspore culture of Brassica juncea. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2006;86:201-210. DOI: 10.1007/s11240-006-9108-0

3. Артемьева А.М., Соловьева А.Е. Генетическое разнообразие и биохимическая ценность капустных овощных растений рода Brassica L. Вестник НГАУ (Новосибирский государственный аграрный университет). 2018;(4):50-61. DOI: 10.31677/2072-6724-2018-49-4-50-61

4. Babbar S.B., Agarwal P.K., Sahay S., Bhojwani S.S. Isolated microspore culture of Brassica: An experimental tool for developmental studies and crop improvement. Indian Journal of Biotechnology. 2004;3:185-202.

5. Baillie A.M.R., Epp D.J., Hutcheson D., Keller W.A. In vitro culture of isolated microspores and regeneration of plants in Brassica campestris. Plant Cell Reports. 1992;11:234-237. DOI: 10.1007/BF00235072

6. Belmonte M, Elhiti M, Waldner B, Stasolla C. Depletion of cellular brassinolide decreases embryo production and disrupts the architecture of the apical meristems in Brassica napus microspore-derived embryos. Journal of Experimental Botany. 2010;61(10):2779-94. DOI: 10.1093/jxb/erq110

7. Binarova P., Hause G., Cenklová V., Cordewener J.H.G., Lookeren Campagne M.M. A short severe heat shock is required to induce embryogenesis in late bicellular pollen of Brassica napus L. Sexual Plant Reproduction 1997;10:200-208. DOI: 10.1007/s004970050088

8. Burnett L., Yarrow S., Huang B. Embryogenesis and plant regeneration from isolated microspores of Brassica rapa L. ssp. oleifera. Plant Cell Reports 1992;11:215-218. DOI: 10.1007/BF00232537

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

10. Custers J.B.M., Cordewener J.H., Nöllen Y., Dons H.J., Lockeren Campagne M.M. Temperature controls both gametophytic and sporophytic development in microspore cultures of Brassica napus. Plant Cell Reports. 1994;13(5):267-271. DOI: 10.1007/BF00233317

11. Custers J.B.M. Microspore culture in rapeseed (Brassica napus L.). In: M. Maluszynski , K.J. Kasha, B.P. Forster, I. Szarejko (eds). Doubled Haploid Production in Crop Plants. Springer, Dordrecht; 2003. p.185-193. DOI: 10.1007/978-94-017-1293-4_29

12. Dias J.S. Effect of incubation temperature regimes and culture medium on broccoli microspore culture embryogenesis. Euphytica. 2001;109:389-394. DOI: 10.1023/A:1017563915319

13. 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

14. Домблидес Е.А. , Шмыкова Н.А., Шумилина Д.В., Заячковская Т.В., Минейкина А.И. , Козарь Е.В., Ахраменко В.А., Шевченко Л.Л., Кан Л.Ю., Бондарева Л.Л., Домблидес А.С. Технология получения удвоенных гаплоидов в культуре микроспор семейства капустные: (методические рекомендации). Москва: ВНИИССОК; 2016.

15. Dunwell J.M., Thurling N. Role of sucrose in microspore embryo production in Brassica napus ssp. oleifera. Journal of Experimental Botany. 1985;36(9):1478-1491. DOI: 10.1093/jxb/36.9.1478

16. Фадеева Т.С., Соснихина Т.С., Иркаева Н.М. Сравнительная генетика растений. Учебное пособие. Ленинград: Издательство Ленинградского университета; 1980. С.98-101.

17. Ferrie A.M.R., Dirpaul J., Krishna P., Krochko J., Keller W.A. Effects of brassinosteroids on microspore embryogenesis in Brassica species. In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant. 2005;41(6):742-745. DOI: 10.1079/IVP2005690

18. Ferrie A.M.R., Epp D.J., Keller W.A. Evaluation of Brassica rapa L. genotypes for microspore culture response and identification of a highly embryogenic line. Plant Cell Reports. 1995;14:580-584. DOI: 10.1007/BF00231942

19. Friedt W., Zarhloul M.K. Haploids in the improvement of crucifers. In: C. Don Palmer, W.A. Keller, K.J. Kasha (eds). Haploids in Crop Improvement II. Biotechnology in Agriculture and Forestry. Springer: Berlin, Heidelberg; 2005. Vol. 56. p.191-213. DOI: 10.1007/3-540-26889-8_10

20. Gamborg O.L., Eveleigh D.E. Culture methods and detection of glucanases in suspension cultures of wheat and barley. Canadian Journal of Biochemistry. 1968;46(5):417-421. DOI: 10.1139/o68-063

21. Germana M.A. Anther culture for haploid and doubled haploid production. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2011;104(3):283-300. DOI: 10.1007/s11240-010-9852-z

22. Gu H.H., Zhou W.J., Hagberg P. High frequency spontaneous production of doubled haploid plants in microspore cultures of Brassica rapa ssp. chinensis. Euphytica. 2003;134:239-245.

23. Guo Y-D., Pulli S. High-frequency embryogenesis in Brassica campestris microspore culture. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 1996;46:219-225. DOI :10.1007/BF02307098

24. Kabir K.M.R., Kwon S.-W., Park Y.-J. Application of cobalt chloride and silver nitrate for efficient microspore culture of Brassica rapa ssp. Plant Tissue Culture and Biotechnology. 2013;23(1):1-10. DOI: 10.3329/ptcb.v23i1.15554

25. Карпеченко Г.Д. Полиплоидные гибриды Raphanus sativus L. × Brassica oleracea L. (К проблеме экспериментального видообразования). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1927;17(3):305-410.

26. Keller W.A., Rajhathy T., Lacapra J. In vitro production of plants from pollen in Brassica campestris. Canadian Journal of Genetics and Cytology. 1975;17(4):655-666. DOI: 10.1139/g75-081

27. Колесникова Е.О., Донских Е.И., Бердников Р.В. Биотехнологии гаплоидов как инструмент создания селекционного материала сахарной свеклы. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021;25(8):812-821. DOI: 10.18699/VJ21.094

28. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учебник. Москва: Дрофа; 2010.

29. Kott L.S., Polsoni L., Ellis B., Beversdorf W.D. Autotoxicity in isolated microspore cultures of Brassica napus. Canadian Journal of Botany. 1988;66(8):1665-1670. DOI: 10.1139/b88-227

30. Козарь Е.В., Коротцева К.С., Романова О.В., Чичварина О.А., Кан Л.Ю., Ахраменко В.А., Домблидес Е.А. Получение удвоенных гаплоидов Brassica purpuraria. Овощи России. 2019;(6):10-18. DOI: 10.18619/2072-9146-2019-6-10-18

31. Lee S.S., Kim A.J. Effect of cultural vessel, plant growth regulator, illuminating and shaking on embryo induction and growth in microspore culture of heading Chinese cabbage. Korean journal of horticultural science and technology. 2000;41:16-20.

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

33. 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 Reports. 2001;20:126-130. DOI: 10.1007/s002990000292

34. Lou P., Zhao J., He H., Hanhart C., Carpio D.P.D., Verkerk R., Custers J., Koornneef M., Bonnema G. Quantitative trait loci for glucosinolate accumulation in Brassica rapa leaves. The New Phytologist. 2008;179(4):1017-1032. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2008.02530.x

35. Minkhorst T. Optimization of Doubled Haploid protocol for Brassica rapa ssp.: the effect of sucrose reduction in the culture medium on embryo formation [dissertation]. Wageningen University; 2012.

36. Na H., Kwak J.H., Chun C. The effect of plant growth regulators activated charcoal and AgNO3 on microspore derived embryo formation in broccoli (Brassica oleracea L. var. italica). Horticulture, Environment, and Biotechnology. 2011;52(5):524-529. DOI: 10.1007/s13580- 011-0034-7

37. Na H.Y., Park S.H., Hwanh G.Y., Yoon M.K., Chun C.H. Medium, AgNO3, activated charcoal and NAA effects on microspore culture in Brassica rapa. Korean Journal of Horticultural Science and Technology. 2009;27(4):657-661.

38. Nagaharu U. Genome analysis in Brassica with special reference to the experimental formation of B. napus and peculiar mode of fertilization. Japanese Journal of Botany. 1935;7:389-452.

39. Parihar D.S., Aradhye S. Microspore Culture for Induction of Doubled Haploidy in B. juncea and B. rapa. In: Proceedings 10th International Rapeseed Congress, 1999 Sept. 26-29; Canberra, Australia. Australia: the regional institute online publishing. Available from: URL: http://www.regional.org.au/au/gcirc/4/246.htm [дата обращения: 28.07.2023].

40. Prem D., Gupta K., Agnihotri A. Effect of various exogenous and endogenous factors on microspore embryogenesis in Indian mustard (Brassica juncea (L.) Czern & Coss). In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant. 2005;41:266-273. DOI: 10.1079/IVP2005636

41. Prem D., Gupta K., Sarkar G., Agnihotri A. Activated charcoal induced high frequency microspore embryogenesis and efficient doubled haploid production in Brassica juncea. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2008;93:269-282. DOI: 10.1007/s11240-008-9373-1

42. Sato S., Kato N., Iwai S., Hagimori M. Effect of low temperature pretreatment of buds or inflorescence on isolated microspore culture in Brassica rapa (syn. B. campestris). Breeding Science. 2002;52:23-26. DOI: 10.1270/jsbbs.52.23

43. Sato T., Nishio T., Hirai M. Plant regeneration from isolated microspore cultures of Chinese cabbage (Brassica campestris spp. pekinensis). Plant Cell Reports. 1989;8:486-488. DOI: 10.1007/BF00269055

44. Shariatpanahi M.E., Bala U., Heberle-Bors E., Touraev A. Stresses applied for the re-programming of plant microspores towards in vitro embryogenesis. Physiologia Plantarum. 2006;127:519-534.

45. 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

46. Shumilina D., Kornyukhin D., Domblides E., Soldatenko A., Artemyeva A. Effects of genotype and culture conditions on microspore embryogenesis and plant regeneration in Brassica Rapa ssp. rapa L. Plants. 2020;9(2):278. DOI: 10.3390/plants9020278

47. Shumilina D., Kozar E., Chichvarina O., Korottseva K., Domblides E. Brassica rapa L. ssp. chinensis isolated microspore culture protocol. In: J.M. Segui-Simarro (ed.). Doubled Haploid Technology: Methods in Molecular Biology. New York: Humana; 2021. Vol. 2288. p.145-162. DOI: 10.1007/978-1-0716-1335-1_9

48. Шумилина Д.В., Шмыкова Н.А., Бондарева Л.Л., Супрунова Т.П. Влияние генотипа и компонентов среды на эмбриогенез в культуре микроспор капусты китайской Brassica rapa ssp. chinensis сорта Ласточка. Известия Российской академии наук. Серия: Биологическая. 2015;4:368-375.

49. Takahashi Y., Yokoi S., Takahata Y. Improvement of microspore culture method for multiple samples in Brassica. Breeding Science. 2012;61:96-98. DOI: 10.1270/jsbbs.61.96

50. Touraev A., Indrianto A., Wratschko I., Vicente O., Heberle-Bors E. Efficient microspore embryogenesis in wheat (Triticum aestivum L.) induced by starvation at high temperature. Sexual Plant Reproduction. 1996;9:209-215. DOI: 10.1007/BF02173100

51. Touraev A., Vicente O., Heberle-Bors E.F. Initiation of microspore embryogenesis by stress. Trends in plant science. 1997;2(8):297-302.

52. Wang T., Li H., Zhang J., Ouyang B., Lu Y., Ye Z. Initiation and development of microspore embryogenesis in recalcitrant purple flowering stalk (Brassica campestris ssp. chinensis var. purpurea Hort.) genotypes. Scientia Horticulturae. 2009;121:419-424. DOI: 10.1016/J.SCIENTA.2009.03.012

53. Wong R.S.C., Zee S.Y., Swanson E.B. Isolated microspore culture of Chinese flowering cabbage (Brassica campestris ssp. parachinensis). Plant Cell Reports. 1996;15:396-400. DOI: 10.1007/BF00232062

54. Zhang F., Takahata Y. Inheritance of microspore embryogenic ability in Brassica crops. Theoretical and Applied Genetics. 2001;103:254-258. DOI: 10.1007/s001220100602

55. Zhang Y., Wang A., Liu Y., Wang Y., Feng H. Effects of the antiauxin PCIB on microspore embryogenesis and plant regeneration in Brassica rapa. Scientia Horticulturae. 2011;130:32-37.

56. Zhang Y., Wang A., Liu Y., Wang Y., Feng H. Improved production of doubled haploids in Brassica rapa through microspore culture. Plant Breeding 2012;131:164-169. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2011.01927.x

57. Zhao J., Artemyeva A.M., Del Carpio D.P., Basnet R.K., Zhang N., Gao J., Li F., Bucher J., Wang X., Visser R.G., Bonnema G. Design of a Brassica rapa core collection for association mapping studies. Genome. 2010a;53(11):884-98. DOI: 10.1139/G10-082

58. Zhao J., Kulkarni V., Liu N., Del Carpio D.P., Bucher J., Bonnema G. BrFLC2 (FLOWERING LOCUS C) as a candidate gene for a vernalization response QTL in Brassica rapa. Journal of Experimental Botany. 2010b;61(6):1817-1825. DOI: 10.1093/jxb/erq048

59. Zhao J., Wang X., Deng B., Lou P., Wu J., Sun R., Xu Z., Vromans J., Koornneef M., Bonnema G. Genetic relationships within Brassica rapa as inferred from AFLP fingerprints. Theoretical and Applied Genetics. 2005;110(7):1301-1314. DOI: 10.1007/s00122-005-1967-y