References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

10.18699/VJ19.505

vavilov-2133

Research Article

ГЕНОФОНД И СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙ

PLANT GENE POOL AND BREEDING

Модифицированный метод дроплет-витрификации для криоконсервации апексов in vitro растений картофеля

A modified droplet vitrification method for cryopreservation of shoot tips from in vitro potato plants

https://orcid.org/0000-0002-2605-6569

Гавриленко

Т. А.

Gavrilenko

T. A.

tatjana9972@yandex.ru

Швачко

Н. А.

Shvachko

N. A.

Волкова

Н. Н.

Volkova

N. N.

https://orcid.org/0000-0001-9366-0216

Ухатова

Ю. В.

Ukhatova

Yu. V.

Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова; Санкт-Петербургский государственный университетРоссияFederal Research Center the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources; Saint Petersburg State UniversityRussian Federation

Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. ВавиловаРоссияFederal Research Center the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation

2019

07072019

234422429

2019

Гавриленко Т.А., Швачко Н.А., Волкова Н.Н., Ухатова Ю.В.

Gavrilenko T.A., Shvachko N.A., Volkova N.N., Ukhatova Y.V.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/2133

Коллекции возделываемого картофеля Solanum tuberosum, сохраняемые в полевых генбанках, несут значительные потери из-за воздействия экстремальных факторов внешней среды, заболеваний и вредителей. Практическое решение проблемы надежного хранения генофонда возделываемого картофеля состоит в создании дублетных криоколлекций, сохраняемых при сверхнизких температурах в криобанках. Известно несколько методов криоконсервации картофеля, из них в настоящее время в мировых генбанках наиболее широко используется метод дроплет-витрификации, разработанный Б. Панисом с коллегами в 2005 г. В нашей статье представлено подробное описание модифицированного метода дроплет-витрификации, который применяется для криоконсервации апексов in vitro растений картофеля во Всероссийском институте генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР). Модифицированный в ВИР метод включает основные этапы оригинального метода дроплет-витрификации, разработанного Б. Панисом с коллегами: 1) подготовка растительного материала; 2) изоляция апексов микрорастений; 3) обработка эксплантов растворами с криопротекторами; 4) криоконсервация/погружение в жидкий азот; 5) оттаивание; 6) посткриогенное восстановление и учет регенерационной способности. Предложенные нами модификации этапов 1, 2 и 6 позволяют существенно сократить продолжительность экспериментов по криоконсервации в сравнении с оригинальным методом. В работе представлены результаты экспериментов по криоконсервации аборигенных южноамериканских сортов и современных селекционных сортов картофеля, которые были выполнены с использованием модифицированного в ВИР метода дроплет-витрификации. Большая часть (76.7 %) изученных образцов культурного картофеля характеризовалась высокими показателями посткриогенной регенерации (40–95 %), и у 23.3 % изученных образцов частота регенерации после замораживания–оттаивания варьировала от 20 до 39 %, что соответствует предельно допустимым минимальным значениям для закладки на длительное хранение в криобанк. В настоящее время модифицированный метод дроплет-витрификации используется для расширения криоколлекции культурных видов картофеля в ВИР.

Collections of common potato maintained in the field genebanks suffer significant losses due to the impact of extreme environmental factors, diseases and pests. The solution of the problem of safe long-term preservation of common potato accessions is to create doublet in vitro and cryo-collections. Cryogenic collections are stored at ultra-low temperatures in cryobanks. Several methods of potato cryoconservation are known, of which the droplet vitrification method developed by B. Panis with colleagues in 2005 is the most widely used in genebanks. This paper provides a detailed description of the modified method of droplet vitrification, which is used for cryopreservation of apexes (shoot tips) of potato in vitro plants at the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR). The method modified at VIR includes the main steps of the original droplet-vitrification method developed by B. Panis and colleagues: 1) preparation of plant material, 2) isolation of shoot tips, 3) treatment of explants with cryoprotector solutions, 4) freezing/immersion in liquid nitrogen, 5) thawing, 6) post-cryogenic recovery and evaluation of viability and regeneration capacity. The modifications of stages 1, 2 and 6 proposed at VIR lead to a significant reduction in the duration of cryopreservation experiments in comparison with the original method of B. Panis. This paper presents the results of cryopreservation of modern potato cultivars and South American landraces which were obtained using the method of droplet vitrification as modified at VIR. The majority (76.7 %) of the studied accessions of cultivated potato were characterized by high rates of postcryogenic recovery (40–95 %) and 23.3 % of the samples had the values of postcryogenic regeneration from 20 to 39 %, which corresponds to the minimal permissible values for long-term storage in a cryobank. Currently the modified droplet-vitrification method is used for further expanding of the VIR potato cryocollection.

картофелькриоконсервациядроплет-витрификациякриобанк

potatocryopreservationdroplet-vitrificationcryobank

Acknowledgements. The test of the capability for postcryogenic repair in 44 potato accessions was supported by the Russian Science Foundation, project 16-16-04125. The maintenance of the in vitro potato collection whose accessions were chosen for cryopreservation was supported by budgeted project 0662-2019-0004.

References1

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;164:273-285.

Gavrilenko T.A., Dunaeva S.E., Truskinov E.V., Antonova O.Y., Pendinen G.I., Lupysheva J.V., Rogovaja V.V., Shvachko N.A. A strategy of long-term conservation of vegetatively propagated crops under controlled conditions. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. St. Petersburg, 2007;164:273-285. (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 Cultures in vitro and in Cryocollections. St. Petersburg: VIR Publ., 2011. (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). Biotekhnolodiya i Seletsiya Rasteniy = Plant Biotechnology and Breeding. 2018;1(1):52-63. DOI 10.30901/2658-6266-2018-1-52-63. (in Russian)

Ухатова Ю.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 in 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. СПб., 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)

Antonova O.Y., Shvachko N.A., Novikova L.Y., Shuvalov O.Y., Kostina L.I., Klimenko N.S., Shuvalova A.R., Gavrilenko T.A. Genetic diversity of potato varieties bred in Russia and its neighboring countries based on the polymorphism of SSR-loci and markers associated with resistance R-genes. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2017;7(5):489500. DOI 10.1134/S2079059717050021.

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.

Engelmann F. Cryopreservation of clonal crops: a review of key parameters. Acta Hort. 2014;1039:31-39.

FAO. Genebank Standards for Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. Rev. ed. Rome, 2014.

Gavrilenko T., Antonova O., Ovchinnikova A., Novikova L., Krylova E., Mironenko N., Pendinen G., Islamshina A., Shvachko N., Kiru S., Kostina L., Afanasenko O., Spooner D. A microsatellite and morphological assessment of the Russian National Potato Collection. Genet. Resour. Crop Evol. 2010;57(8):1151-1164. DOI 10.1007/s10722-010-9554-8.

IPGRI. Cryopreservation of Tropical Plant Germplasm. Current research progress and applications. Engelmann F., Takagi H. (Eds.). 2000.

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.

Keller E.R.J., Sunura A., Leunufna S., Grűbe M. Slow growth storage and cryopreservation – tools to facilitate germplasm maintenance of vegetatively propagated crops in living plant collections. J. Refrigeration. 2006;29:411-417.

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.

Kushnarenko S., Romadanova N., Aralbayeva M., Zholamanova S., Alexandrova A., Karpova O. Combined ribavirin treatment and cryotherapy for efficient Potato virus M and Potato virus S eradication in potato (Solanum tuberosum L.) in vitro shoots. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2017;53(4):425-432. DOI 10.1007/s11627-017-9839-0.

Murashige T., Skoog F.A. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiol. Plant. 1962;15: 473-497.

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., Van den Houwe I., Swennen R., Rhee J., Roux N. Securing plant genetic resources for perpetuity through cryopreservation. Indian J. Plant. Genet. Resour. 2016;29(3):300-302.

Panta A., Panis B., Ynouye C., Swennen R., Roca W. Development of a PVS2 droplet vitrification method for potato cryopreservation. CryoLetters. 2014;35(3):255-266.

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.

Sakai A., Kobayashi S., Oiyama I. Cryopreservation of nucellar cells of navel orange (Citrus sinensis Osb. var. brasiliensis Tanaka) by vitrification. Plant Cell Rep. 1990;9(1):30-33. DOI 10.1007/bf00232130.

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.

Towill L.E. Improved survival after cryogenic exposure of shoot tips derived from in vitro plantlet cultures of potato. Cryobiology. 1983;20:567-573.

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.

Yoon J.W., Kim H.H., Ko H.C., Hwang H.S., Hong E.S., Cho E.G., Engelmann F. Cryopreservation of cultivated and wild potato varieties by droplet vitrification: effect of subculture of mother-plants and of preculture of shoot tips. CryoLetters. 2006;27(4):211-222.

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