vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ19.500vavilov-2019Research ArticleГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙPLANT GENETICSИзучение посткриогенного регенерационного потенциала сортов картофеля в разных условиях культивированияInvestigation of the post-cryogenic regeneration ability of potato varieties under different cultivation conditionsБеспаловаЕ. С.BespalovaE. S.УхатоваЮ. В.UkhatovaYu. V.ВолковаН. Н.VolkovaN. N.ОвэсЕ. В.OvesE. V.ГаитоваН. А.GaitovaN. A.https://orcid.org/0000-0002-2605-6569ГавриленкоТ. А.GavrilenkoT. A.

биологический факультет

Biological Faculty

tatjana9972@yandex.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР)РоссияFederal Research Center the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR)Russian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт картофельного хозяйства им. А.Г. ЛорхаРоссияLorch Potato Research InstituteRussian FederationФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР); Санкт-Петербургский государственный университетРоссияFederal Research Center the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR); Saint Petersburg State UniversityRussian Federation201914052019233281286Copyright © Беспалова Е.С., Ухатова Ю.В., Волкова Н.Н., Овэс Е.В., Гаитова Н.А., Гавриленко Т.А., 20192019Беспалова Е.С., Ухатова Ю.В., Волкова Н.Н., Овэс Е.В., Гаитова Н.А., Гавриленко Т.А.Bespalova E.S., Ukhatova Y.V., Volkova N.N., Oves E.V., Gaitova N.A., Gavrilenko T.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/2019

Криоконсервация обеспечивает долгосрочное хранение генофонда селекционных сортов картофеля в криобанках при сверхнизких температурах. В настоящее время для криоконсервации сортов картофеля наиболее широко используется метод дроплет-витрификации, который постоянно совершенствуется с целью повышения регенерационной способности сохраняемого растительного материала. В ведущих мировых генбанках картофеля используются различные модификации этого метода. В данной работе представлены результаты изучения влияния условий культивирования после замораживания–оттаивания апексов побегов и пазушных почек in vitro растений на их способность к посткриогенному восстановлению. Для криоконсервации был использован метод дроплет-витрификации, модифицированный в ВИР. Фактор «длительная темновая инкубация эксплантов» не оказывал существенного влияния на частоту посткриогенной регенерации изученных сортов, за исключением одного сорта (Крепыш), для которого отмечено достоверное (p < 0.05) увеличение частоты регенерации в варианте культивирования апексов микропобегов в темноте по сравнению с вариантом культивирования при фотопериоде 16/8 ч (свет/темнота). Фактически у всех сортов частота посткриогенной регенерации апексов микропобегов была выше, чем у пазушных почек, однако достоверное превышение (p < 0.05) данного показателя для апексов побегов отмечено только в двух случаях: для сорта Удача – культивирование эксплантов при фотопериоде 16/8 ч и для сорта Крепыш – культивирование в условиях темновой инкубации. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа указывают на отсутствие значимого эффекта совместного действия двух факторов (темновая инкубация и тип экспланта) на способность сортов к посткриогенному восстановлению. С учетом полученных результатов дальнейшую криоконсервацию расширенной выборки из девяти селекционных сортов проводили с использованием только одного типа эксплантов – апексов микропобегов, которые после замораживания–оттаивания культивировали при фотопериоде 16/8 ч. Частота посткриогенной регенерации этих сортов варьировала от 30 до 60 %. Установлено достоверное влияние генотипа на регенерационную способность сортов после замораживания–оттаивания. Способность сортов к посткриогенному восстановлению не связана со значениями морфогенетических показателей in vitro растений, которые используются в оригинальном семеноводстве картофеля. Возраст мериклона (2–4 года) не оказывал существенного влияния ни на показатели морфогенеза, ни на частоту посткриогенной регенерации сортов.

Cryopreservation provides long-term storage of the gene pool of potato varieties in cryobanks at extremely low temperatures. Currently, droplet vitrification is the most widely used method for cryopreservation of potato varieties, which is constantly improving to increase the regeneration rates of the stored plant material. Different modifications of this method are used in the world’s leading potato genebanks. This paper presents the results of studying the effect of cultivation conditions after plunging into liquid nitrogen and thawing of shoots tips and axillary buds of in vitro plants on their postcryogenic recovery. The droplet-vitrification method modified at VIR was used for cryopreservation. The factor “prolonged dark incubation of explants” did not have a significant effect on the frequency of post-cryogenic regeneration of the studied varieties except for one variety (Krepysh), for which a significant increase in the regeneration rate was observed for the shoot tips cultivated in the darkness compared to the cultivation under the photoperiod 16/8 hours (light/darkness). The frequency of post-cryogenic regeneration of shoot tips was higher than that of the axillary buds for all varieties; however, these differences were significant (p < 0.05) only in two cases: for the variety Udacha (a photoperiod of 16/8 hours) and for the variety Krepysh (the dark incubation). The results of two-factor analysis of variance indicate that there is no effect of interaction of factor 1 (prolonged dark incubation) and factor 2 (explant type) on the ability of varieties to post-cryogenic recovery. Taking into account the obtained results, the further cryopreservation of an extended subset of 9 varieties was carried out using shoot tips, which, after freezing-thawing, were cultivated under the photoperiod of 16/8 hours. The frequency of post-cryogenic regeneration of these varieties varied from 30 to 60 %. A significant effect of genotype on postcryogenic recovery has been established. The ability of varieties to regenerate shoots after freezing and thawing was not related to the values of morphogenic indices of in vitro plants. The age of the meriklons (2–4 years) did not significantly affect either the morphogenic indices or the frequency of post-cryogenic regeneration.

картофельSolanum tuberosumдлительное хранениекриоконсервацияусловия in vitro культивированияморфогенез in vitro растенийpotatoSolanum tuberosumlong-term preservationcryoconservationin vitro cultivation conditionsin vitro morphogenesisThe authors are grateful to Cand. Sci. (Tech) L.Yu. Novikova for assistance in the statistical analysis of the results. This work was supported by the program Comprehensive Plans of Research, subproject 0481-2018-0023 ‘‘Potato breeding and seed industry in the Russian Federation’’, project ‘‘Federal R&D program of farming industry development in 2017–2025’’. The maintenance of the in vitro potato collection kept in the Shared Access Center ‘‘VIR Collection’’, whose material was used in cryopreservation, was supported by Project 0662-2019-0004.The authors are grateful to Cand. Sci. (Tech) L.Yu. Novikova for assistance in the statistical analysis of the results. This work was supported by the program Comprehensive Plans of Research, subproject 0481-2018-0023 ‘‘Potato breeding and seed industry in the Russian Federation’’, project ‘‘Federal R&D program of farming industry development in 2017–2025’’. The maintenance of the in vitro potato collection kept in the Shared Access Center ‘‘VIR Collection’’, whose material was used in cryopreservation, was supported by Project 0662-2019-0004.ReferencesГавриленко Т.А., Дунаева С.Е., Трускинов Э.В., Антонова О.Ю., Пендинен Г.И., Лупышева Ю.В., Роговая В.В., Швачко Н.А. Стратегия долгосрочного сохранения генофонда вегетативно размножаемых сельскохозяйственных растений в контролируемых условиях среды. Труды по прикл. ботанике, генетике и селекции. СПб., 2007;164:273-283. [Gavrilenko T.A., Dunaeva S.E., Truskinov E.V., Antonova O.Yu., Pendinen G.I., Lupysheva Yu.V., Rogovaya V.V., Shvachko N.A. A strategy of long-term conversation of vegetatively propagated crops under controlled conditions. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. St. Petersburg, 2007;164:273-283. (in Russian)]Гавриленко Т.А., Дунаева С.Е., Трускинов Э.В., Антонова О.Ю., Пендинен Г.И., Лупышева Ю.В., Роговая В.В., Швачко Н.А. Стратегия долгосрочного сохранения генофонда вегетативно размножаемых сельскохозяйственных растений в контролируемых условиях среды. Труды по прикл. ботанике, генетике и селекции. СПб., 2007;164:273-283. [Gavrilenko T.A., Dunaeva S.E., Truskinov E.V., Antonova O.Yu., Pendinen G.I., Lupysheva Yu.V., Rogovaya V.V., Shvachko N.A. A strategy of long-term conversation of vegetatively propagated crops under controlled conditions. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. St. Petersburg, 2007;164:273-283. (in Russian)]Гавриленко Т.А., Швачко Н.А., Волкова Н.Н., Ухатова Ю.В. Модифицированный метод дроплет-витрификации для криоконсервации апексов in vitro растений картофеля. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23. DOI 10.18699/VJ19.505. [Gavrilenko T.A., Shvachko N.A., Volkova N.N., Ukhatova Yu.V. A modified droplet vitrification method for cryopreservation of shoot tips from the potato in vitro plants. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23. DOI 10.18699/VJ19.505. (in Russian)]Гавриленко Т.А., Швачко Н.А., Волкова Н.Н., Ухатова Ю.В. Модифицированный метод дроплет-витрификации для криоконсервации апексов in vitro растений картофеля. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23. DOI 10.18699/VJ19.505. [Gavrilenko T.A., Shvachko N.A., Volkova N.N., Ukhatova Yu.V. A modified droplet vitrification method for cryopreservation of shoot tips from the potato in vitro plants. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23. DOI 10.18699/VJ19.505. (in Russian)]Дунаева С.Е., Пендинен Г.И., Антонова О.Ю., Швачко Н.А., Волкова Н.Н., Гавриленко Т.А. Сохранение вегетативно размножаемых культур в in vitro и криоколлекциях. СПб.: ВИР, 2011. [Dunaeva S.E., Pendinen G.I., Antonova O.Yu., Shvachko N.A., Volkova N.N., Gavrilenko T.A. Preservation of Vegetatively Propagated Crops in vitro and in Cryocollections. St. Petersburg: VIR Publ., 2011. (in Russian)]Дунаева С.Е., Пендинен Г.И., Антонова О.Ю., Швачко Н.А., Волкова Н.Н., Гавриленко Т.А. Сохранение вегетативно размножаемых культур в in vitro и криоколлекциях. СПб.: ВИР, 2011. [Dunaeva S.E., Pendinen G.I., Antonova O.Yu., Shvachko N.A., Volkova N.N., Gavrilenko T.A. Preservation of Vegetatively Propagated Crops in vitro and in Cryocollections. St. Petersburg: VIR Publ., 2011. (in Russian)]Овэс Е.В., Анисимов Б.В., Симаков Е.А., Жевора С.В., Гаитова Н.А. Особенности морфогенеза in vitro и оценка фенотипической идентичности сортовых признаков картофеля. Картофель и овощи. 2018;7:33-36. DOI 10.25630/PAV.2018.7.18246. [Oves E.V., Anisimov B.V., Simakov E.A., Zhevora C.V., Gaitova N.A. Peculiarities of morphogenesis in vitro and evaluation of potato cultivars for compliance. Kartofel i Ovoshchi = Potato and Vegetables. 2018;7:33-36. DOI 10.25630/PAV.2018.7.18246. (in Russian)]Овэс Е.В., Анисимов Б.В., Симаков Е.А., Жевора С.В., Гаитова Н.А. Особенности морфогенеза in vitro и оценка фенотипической идентичности сортовых признаков картофеля. Картофель и овощи. 2018;7:33-36. DOI 10.25630/PAV.2018.7.18246. [Oves E.V., Anisimov B.V., Simakov E.A., Zhevora C.V., Gaitova N.A. Peculiarities of morphogenesis in vitro and evaluation of potato cultivars for compliance. Kartofel i Ovoshchi = Potato and Vegetables. 2018;7:33-36. DOI 10.25630/PAV.2018.7.18246. (in Russian)]Ухатова Ю.В., Гавриленко Т.А. Методы криоконсервации вегетативно размножаемых культурных растений. Биотехнология и селекция растений. 2018;1(1):52-63. DOI 10.30901/2658-62662018-1-52-63. [Ukhatova Yu.V., Gavrilenko T.A. Cryoconservation methods for vegetatively propagated crops (review).Ухатова Ю.В., Гавриленко Т.А. Методы криоконсервации вегетативно размножаемых культурных растений. Биотехнология и селекция растений. 2018;1(1):52-63. DOI 10.30901/2658-62662018-1-52-63. [Ukhatova Yu.V., Gavrilenko T.A. Cryoconservation methods for vegetatively propagated crops (review).Biotekhnologiya i Selektsiya Rasteniy = Plant Biotechnology and Breeding. 2018;1(1):5263. DOI 10.30901/2658-6266-2018-1-52-63 (in Russian)]Biotekhnologiya i Selektsiya Rasteniy = Plant Biotechnology and Breeding. 2018;1(1):5263. DOI 10.30901/2658-6266-2018-1-52-63 (in Russian)]УхатоваЮ.В., Овэс Е.В., Волкова Н.Н., Гавриленко Т.А. Криоконсервация селекционных сортов картофеля в ВИРе. Труды по прикл. ботанике, генетике и селекции. СПб., 2017;178(3):13-20. DOI 10.30901/2227-8834-2017-3-13-20. [Ukhatova Yu.V., Oves E.V., Volkova N.N., Gavrilenko T.A. Cryoconservation of potato breeding cultivars at VIR. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. St. Petersburg, 2017;178(3):13-20. DOI 10.30901/2227-8834-2017-3-13-20 (in Russian)]УхатоваЮ.В., Овэс Е.В., Волкова Н.Н., Гавриленко Т.А. Криоконсервация селекционных сортов картофеля в ВИРе. Труды по прикл. ботанике, генетике и селекции. СПб., 2017;178(3):13-20. DOI 10.30901/2227-8834-2017-3-13-20. [Ukhatova Yu.V., Oves E.V., Volkova N.N., Gavrilenko T.A. Cryoconservation of potato breeding cultivars at VIR. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. St. Petersburg, 2017;178(3):13-20. DOI 10.30901/2227-8834-2017-3-13-20 (in Russian)]Филипенко Г.И. Развитие системы низкотемпературного хранения и криоконсервации генофонда растений в ВИР имени Н.И. Вавилова. Труды по прикл. ботанике, генетике и селекции. 2007;164:263-272. [Filipenko G.I. Development of the system of low-temperature storage and cryopreservation of plant genetic resources at VIR. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. St. Petersburg, 2007;164:263-272. (in Russian)]Филипенко Г.И. Развитие системы низкотемпературного хранения и криоконсервации генофонда растений в ВИР имени Н.И. Вавилова. Труды по прикл. ботанике, генетике и селекции. 2007;164:263-272. [Filipenko G.I. Development of the system of low-temperature storage and cryopreservation of plant genetic resources at VIR. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. St. Petersburg, 2007;164:263-272. (in Russian)]Bamberg J.B., Martin M.W., Abad J., Jenderek M.M., Tanner J., Donnelly D.J., Nassar M.K., Veilleux R.E., Novy R.G. In vitro technology at the US Potato Genebank. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2016;52:213-225. DOI 10.1007/s11627-016-9753-x.Bamberg J.B., Martin M.W., Abad J., Jenderek M.M., Tanner J., Donnelly D.J., Nassar M.K., Veilleux R.E., Novy R.G. In vitro technology at the US Potato Genebank. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2016;52:213-225. DOI 10.1007/s11627-016-9753-x.FAO. Genebank Standards for Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. Rev. ed. Rome. 2014;182.FAO. Genebank Standards for Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. Rev. ed. Rome. 2014;182.Jenderek M.M., Reed B.M. Cryopreserved storage of clonal germplasm in the USDA National Plant Germplasm System. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2017;53(4):299-308. DOI 10.1007/s11627-0179828-3.Jenderek M.M., Reed B.M. Cryopreserved storage of clonal germplasm in the USDA National Plant Germplasm System. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2017;53(4):299-308. DOI 10.1007/s11627-0179828-3.Kaczmarczyk A., Rokka V.M., Keller E.R.J. Potato shoot tip cryopreservation. A review. Potato Res. 2011;54:45-79. DOI 10.1007/ s11540-010-9169-7.Kaczmarczyk A., Rokka V.M., Keller E.R.J. Potato shoot tip cryopreservation. A review. Potato Res. 2011;54:45-79. DOI 10.1007/ s11540-010-9169-7.Kim H.H., Yoon J.W., Park Y.E., Cho E.G., Sohn J.K., Kim T.S., Engelmann F. Cryopreservation of potato cultivated varieties and wild species: critical factors in droplet vitrification. CryoLetters. 2006; 27(4):223-234.Kim H.H., Yoon J.W., Park Y.E., Cho E.G., Sohn J.K., Kim T.S., Engelmann F. Cryopreservation of potato cultivated varieties and wild species: critical factors in droplet vitrification. CryoLetters. 2006; 27(4):223-234.Niino T., Valle Arizaga M. Cryopreservation for preservation of potato genetic resources. Breed. Sci. 2015;65(1):41-52. DOI 10.1270/ jsbbs.65.41.Niino T., Valle Arizaga M. Cryopreservation for preservation of potato genetic resources. Breed. Sci. 2015;65(1):41-52. DOI 10.1270/ jsbbs.65.41.Panis B., Piette B., Swennen R. Droplet vitrification of apical meristems: a cryopreservation protocol applicable to all Musaceae. Plant Sci. 2005;168:45-55. DOI 10.1016/j.plantsci.2004.07.022.Panis B., Piette B., Swennen R. Droplet vitrification of apical meristems: a cryopreservation protocol applicable to all Musaceae. Plant Sci. 2005;168:45-55. DOI 10.1016/j.plantsci.2004.07.022.Panta A., Panis B., Ynouye C., Swennen R., Roca W., Tay D., Ellis D. Improved cryopreservation method for the long-term conservation of the world potato germplasm collection. Plant Cell Tissue Organ Cult. 2015;120:117-125. DOI 10.1007/s11240-014-0585-2.Panta A., Panis B., Ynouye C., Swennen R., Roca W., Tay D., Ellis D. Improved cryopreservation method for the long-term conservation of the world potato germplasm collection. Plant Cell Tissue Organ Cult. 2015;120:117-125. DOI 10.1007/s11240-014-0585-2.Shvachko N., Gavrilenko T. Cryopreservation of potato landraces using droplet-vitrification method. In: Grapin A., Keller J., Lynch P., Panis B., Revilla A., Engelmann F. (Eds.). Cryopreservation of Crop Species in Europe: Proc. of COST Action 871 Final meeting. Angers, France, 2011;135-137.Shvachko N., Gavrilenko T. Cryopreservation of potato landraces using droplet-vitrification method. In: Grapin A., Keller J., Lynch P., Panis B., Revilla A., Engelmann F. (Eds.). Cryopreservation of Crop Species in Europe: Proc. of COST Action 871 Final meeting. Angers, France, 2011;135-137.Volk G.M., Henk A.D., Jenderek M.M., Richards C.M. Probabilistic viability calculations for cryopreserving vegetatively propagated collections in genebanks. Genet. Resour. Crop Evol. 2016;64(7): 1613-1622. DOI 10.1007/s10722-016-0460-6.Volk G.M., Henk A.D., Jenderek M.M., Richards C.M. Probabilistic viability calculations for cryopreserving vegetatively propagated collections in genebanks. Genet. Resour. Crop Evol. 2016;64(7): 1613-1622. DOI 10.1007/s10722-016-0460-6.Vollmer R., Villagaray R., Cárdenas J., Castro M., Chávez O., Anglin N.L., Ellis D. A large-scale viability assessment of the potato cryobank at the International Potato Center (CIP). In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2017;53(4):309-317. DOI 10.1007/s11627-0179846-1.Vollmer R., Villagaray R., Cárdenas J., Castro M., Chávez O., Anglin N.L., Ellis D. A large-scale viability assessment of the potato cryobank at the International Potato Center (CIP). In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2017;53(4):309-317. DOI 10.1007/s11627-0179846-1.Vollmer R., Villagaray R., Egusquiza V., Espirilla J., Garcia M., Torres A., Rojas E., Panta A., Barkley N.A., Ellis D. The potato cryobank at the International Potato Center (CIP): a model for long term conservation of clonal plant genetic resources collections of the future. CryoLetters. 2016;37(5):318-329.Vollmer R., Villagaray R., Egusquiza V., Espirilla J., Garcia M., Torres A., Rojas E., Panta A., Barkley N.A., Ellis D. The potato cryobank at the International Potato Center (CIP): a model for long term conservation of clonal plant genetic resources collections of the future. CryoLetters. 2016;37(5):318-329.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.