Методы биотехнологии как потенциал развития селекции сахарной свеклы

Рассмотрены аспекты использования в селекционном процессе сахарной свеклы биотехнологических методов, позволяющих ускоренно создавать, размножать и сохранять растения с улучшенными или новыми признаками. Представлен обзор работ, проведенных по данным направлениям во Всероссийском НИИ сахарной свеклы и сахара им. А.Л. Мазлумова. Показана тесная взаимосвязь морфофизиологических исследований культивируемых invitro органов и тканей с селекционными признаками, обеспечивающая разработку экспериментальных систем реконструкции растений без полового скрещивания. Рассмотрено воздействие условий культуры invitro на гаплоидные клетки неоплодотворенных семязачатков сахарной свеклы в процессе получения удвоенных гаплоидных линий с высокой степенью гомо-зиготности и сохранением ценных селекционных свойств. В отличие от классического инбридинга, время создания гомозиготного растительного материала с помощью данного метода было сокращено с 10-12 до 3-5 лет. Исследования по культивированию зиготических зрелых зародышей сахарной свеклы на основе селективных систем invitro позволили повысить адаптивные свойства растений и обеспечить комплексную устойчивость к стрессовым факторам внешней среды. Благодаря жесткому отбору в условиях абиотического стресса созданы изогенные линии сахарной свеклы с толерантностью к засухе, засолению и кислотности почвы. Предложена оригинальная схема массового микроклонального размножения и депонирования invitro элитных растений - компонентов высокопродуктивных гибридов, которая может служить для получения выровненного селекционного материала улучшенного качества. Разработанные технологии являются приоритетным и инновационным направлением исследований, так как внедрение данных разработок в селекционный процесс сахарной свеклы будет способствовать получению конкурентоспособных гибридов с комплексом хозяйственно полезных признаков. Сочетание биотехнологических подходов, в том числе культуры тканей, с методами традиционной селекции даст возможность получать новый исходный материал для создания отечественных сортов и гибридов нового поколения с гетерозисным эффектом и широким спектром устойчивости, сохраняющимися в ряду поколений.

1. Barykina R.P., Veselova T.D., Devyatov A.G., Dzhalilova Kh. Kh., Ilyina G.M., Chubatova N.V The Handbook of Botanic Microtechniques: Fundamentals and Methods. Moscow: Publ. House of Moscow State University, 2004. Available at http://bookre.org/reader?file=1483744&pg=1 (in Russian)

2. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant Soil. 1973;39:205-207. DOI 10.1007/BF00018060.

3. Batygina T.B. Embryoidogeny is a new type of a vegetative propagation. In: Batygina T.B. (Ed.). Embryology of Flowering Plants: Terminology and Concepts. Vol. 3. Reproductive Systems. St. Petersburg: Mir i Semya Publ., 2000;334-349. Available at https://www.twirpx.com/file/435188/ (in Russian)

4. Batygina T.B., Kruglova N.N., Gorbunova VYu., Titova G.E., Seldimirova O.A. From a Microspore to a Variety. Moscow: Nauka Publ., 2010. (in Russian)

5. Batygina T.B., Vasilyeva V.E. Plant Reproduction. St. Petersburg: St. Petersburg University Publ., 2002. (in Russian)

6. Beckmann J.S., Soller M. Restriction fragment length polymorphisms in genetic improvement: methodologies, mapping and costs. Theor. Appl. Genet. 1983;67:35-43. dOi 10.1007/BF00303919.

7. Butenko R.G. Isolated Tissue Culture and Physiology of Plant Morphogenesis. Moscow: Nauka Publ., 1964. (in Russian)

8. Cherkasova N.N., Zhuzhzhalova T.P. Obtaining osmosisresistant sugar beet plants under in vitro culture. Sakharnaya Svekla = Sugar Beet. 2011;7:22-24. (in Russian)

9. Cherkasova N.N., Zhuzhzhalova T.P. Modeling of in vitro breeding conditions to develop sugar beet forms resistant to environment stress factors. Sakharnaya Svekla = Sugar Beet. 2014;6:16-18. (in Russian)

10. Cherkasova N.N., Zhuzhzhalova T.P., Kolesnikova E.O. Development of sugar beet regenerant plants resistant to a set of stress factors. Sakhar = Sugar. 2018;5:28-30. (in Russian)

11. Dukhovsky P., Yuknis R., Brazaitite A., Zukauskaite I. Plant response to integrated impact of natural and anthropogenic stress factors. Fiziologiya Rasteniy = Russ. J. Plant Physiol. 2003;50(2):147-154.

12. Gurel S., Gurel E., Kaya Z., Erdal M., Guler E. Effects of antimitotic agents on haploid plant production from unpollinated ovules of sugar beet (Beta vulgaris L.). Biotechnol. Biotechnol. Equip. 2003;17(2):97-101. DOI 10.1080/13102818.2003.10817065.

13. Kikindonov G., Kikindonov Tz., Enchev S. Economical qualities of crosses between doubled haploid sugar beet lines. Agric. Sci. Technol. 2016;8(2):107-110. DOI 10.15547/ast.2016.02.018.

14. Kilchevsky A.V, Khotyleva L.V (Eds.). Genetical Basis of Plant Breeding. Vol. 3. Biotechnology in Plant Breeding. Cell Engineering. Minsk: Belarus. Navuka Publ., 2012;203-216. (in Russian)

15. Kolesnikova E.O., Vasilchenko E.N., Cherkasova N.N. Possibilities of using biotechnology methods for sugar beet in breeding process. In: Scientific Support of BeetGrowing Industry: Proc. of the Int. scientific-practical conf. dedicated to the 90th anniversary of the Sugar Beet Experimental Research Station (Nesvizh, September 5-6, 2018). Minsk: Belarus. Navuka Publ., 2018a;40-48. (in Russian)

16. Kolesnikova E.O., Zhuzhzhalova T.P. Microcloning and maintenance of lines material in sugar beet breeding process. In: Proc. of IV (XII) Int. Botanical Conf. of Young Scientists in St. Petersburg, April 22-28, 2018. St. Petersburg, 2018;267-268.

17. Kolesnikova E.O., Zhuzhzhalova T.P., Cherkasova N.N., Vasilchenko E.N. Рerspective technologies of isolated tissue culture in sugar beet breeding process. Ros-siyskaya Selskokhozyaystvennaya Nauka = Russian Agricultural Sciences. 2018b;6:13-17. DOI 10.31857/S250026270001825-2 (in Russian)

18. Kosareva I.A. The study of crops and wild relatives collections for signs of resistance to toxic elements of acid soils. Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. 2012;170:35-45. (in Russian)

19. Kozlovsky VF., Apasov I.V., Zhuzhzhalova T.P., Fedulo-va T.P. Main directions and results of sugar beet breeding in USA. Sakharnaya Svekla = Sugar Beet. 2016;8:35-41. (in Russian)

20. Lamaoui M., Jemo M., Datla R., Bekkaoui E. Heat and drought stresses in crops and approaches for their mitigation. Front. Chem. 2018;6:26. DOI 10.3389/fchem.2018.00026.

21. Nitzsche W., Wenzel G. Haploids in Plant Breeding. Berlin; Hamburg, 1977. (Russ. ed. Nitsshe V, Ventsel’ G. Gaploidy v selektsii rasteniy. Moscow: Kolos Publ., 1980.)

22. Pausheva Z.P. Workshop on Plant Cytology. Moscow: Agropromizdat Publ., 1988. (in Russian)

23. Rahnama A., Munns R., Poustini K., Watt M. A screening method to identify genetic variation in root growth response to a salinity gradient. J. Exp. Bot. 2011;62;69-77. DOI 10.1093/jxb/erq359.

24. Shabala S., Munns R. Salinity stress: physiological constraints and adaptive mechanisms. In: Shabala S. (Ed.). Plant Stress Physiology. 2nd edn. CABI, 2017;24-64.

25. Soshnikova T.N., Radyukina N.L., Korolkova D.V., Nosov A.V Proline and functioning of an antioxidant plant system and cultivated cells of Thellungiella salsuginea during oxidative stress. Russ. J. Plant Physiol. 2013;60(1): 41-54. DOI 10.1134/S1021443713010093.

26. Tomaszewska-Sowa M. Cytometric analyses of sugar beet (Beta vulgaris L.) plants regenerated from unfertilized ovules cultured in vitro. Plant Breed. 2010;2: 231-235.

27. Tomaszewska-Sowa M. Effect of growth regulators and other components of culture medium on morphogenesis of sugar beet (Beta vulgaris L.) in unfertilised ovule in vitro cultures. Acta Agrobotanica. 2012;65(4):91-100. DOI 10.5586/aa.2012.025.

28. Vanyushin B.F. DNA methylation is an epigenetic regulation of growth and development of plants. In: Development Biology: Morphogenesis of Reproductive Structures and a Role of Somatic, Stem Cells in Ontogenesis and Evolution: Proceedings of the Int. conf. dedicated to the 50th anniversary of the Laboratory of Embryology and Reproductive Biology, Biological Institute of the Russian Academy of Sciences (December 13-16, 2010). Moscow: KMK Association of Scientific Editions. 2010;41-43. (in Russian)

29. Vasilchenko E.N. Induction of haploid partenogeny of sugar beet in vitro. Sakharnaya Svekla = Sugar Beet. 2016;6:2-4. (in Russian)

30. Vasilchenko E.N., Zhuzhzhalova T.P., Vashchenko T.G., Kolesnikova E.O. The technology of creating restitution sugar beet lines. Vestnik VGAU = Bulletin of Voronezh State Agrarian University. 2018;1(56):42-50. DOI 10.172338/issn2071-2243.2018.1.56. (in Russian)

31. Zemlyanukhina O.A., Cherkasova N.N., Zhuzhzhalova T.P., Kalaev V.N. Biochemical and morphological traits of sugar beet acid-resistant plants-regenerants (Beta vulgaris L.). Vestnik VGU = Bulletin of Voronezh State University. 2017;2:59-67. (in Russian)

32. Zemlyanukhina O.A., Vasilchenko E.N., Karpechenko N.A., Zhuzhzhalova T.P., Karpechenko I.Yu., Kalaev VN. Molecular-biochemical characters of haploid and dihaploid sugar beet regenerant plants. In: Proc. of the V Congress of CIS physiologists, V Congress of Russia biochemists, Adflim Conferences. ActaNaturae (spec. iss.). 2016;2:59. (in Russian)

33. Zhuzhzhalova T.P., Kolesnikova E.O., Vasilchenko E.N., Cherkasova N.N. Issues of microcloning use in sugar beet breeding. Proceedings of the VII International Scientific Conference “Breeding and Genetic Science and Education: Pariyskiy readings. March 19-21, 2018. Uman, Ukraine, 2018:78-81. (in Russian)

34. Zhuzhzhalova T.P., Podvigina O.A., Znamenskaya VV, Vasilchenko E.N., Karpechenko N.A., Zemlyanukhi-na O.A. Sugar beet (Beta vulgaris L.) haploid parthenogenesis in vitro: factors and diagnostic characters. Sels-kokhozyaystvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2016;51(5):636-644. DOI 10.15389/agrobiology.2016.5.636eng.

35. Zhuzhzhalova T.P., Znamenskaya VV, Oshevnev V.P., Gribanova N.P., Kolesnikova E.O., Vasilchenko E.N., Cherkasova N.N. An innovative method of sugar beet in vitro micropropagation in the breeding process. Sakhamaya Svekla = Sugar Beet. 2017;4:12-18. (in Russian)

36. Zhuzhzhalova T.P., Znamenskaya V.V., Podvigina O.A., Yarmolyuk G.I. Reproductive Biology of Sugar Beet. Voronezh: Sotrudnichestvo Publ., 2006. (in Russian)

37. Znamenskaya VV. In vitro microcloning as a method of maintenance and reproduction of sugar beet lines. In: Encyclopedia of Beta Genus. Biology, Genetics, and Breeding of Beet. Novosibirsk: Sova Publ., 2010;420-437. (in Russian)