Методические подходы создания удвоенных гаплоидов сахарной и столовой свеклы (Beta vulgaris L.)

Производство удвоенных гаплоидов in vitro – актуальный биотехнологический способ ускоренного создания родительских линий для селекции гибридов F1. В отличие от классического инбридинга время создания гомозиготных линий свеклы (Beta vulgaris) с помощью технологии удвоенных гаплоидов сокращается с пяти–шести до двух поколений. Гиногенез является наиболее распространенным биотехнологическим методом производства удвоенных гаплоидов сахарной и столовой свеклы. Протоколы производства удвоенных гаплоидов для видов B. vulgaris немногочисленны и разработаны в основном для сахарной свеклы (B. vulgaris convar. saccharifera Alef.). Наибольший успех достигнут в производстве удвоенных гаплоидов сахарной свеклы гиногенезом в культуре изолированных семязачатков. Для столовой свеклы (B. vulgaris convar. esculenta Salisb.) проведены единичные исследования с показанной низкой эффективностью производства гаплоидных растений андро- и гиногенезом. В итоге протоколы производства удвоенных гаплоидов столовой свеклы отсутствуют, а протоколы, разработанные для сахарной свеклы, неэффективны для столовой, несмотря на принадлежность к одному виду. Исследования производства удвоенных гаплоидов путем андрогенеза у представителей рода Beta активно проводились в 70–80-х гг. прошлого столетия и не закончились получением растений-регенерантов, однако в настоящее время среди ученых снова возник интерес к данному методу и в разных странах возобновлены работы по изучению андрогенеза у представителей рода Beta. Статья содержит обзор исследований, посвященных созданию удвоенных гаплоидов; обсуждение подходов решения основных проблем при получении удвоенных гаплоидов и методов, позволяющих повысить выход эмбриоидов и растений-регенерантов, а также удвоенных гаплоидов у растений вида B. vulgaris.

1. Banba H., Tanabe H. A study of anther culture in sugar beet. Bull. Sugar Beet Res. 1972;14:9-16.

2. Baranski R. In vitro gynogenesis in red beet (Beta vulgaris L.): effects of ovule culture conditions. Acta Soc. Bot. Pol. Tow. Bot. 1996; 65(1-2):57-60. DOI 10.5586/asbp.1996.010.

3. Bosemark N. Haploids and homozygous diploids, triploids and tetraploids in sugar beet. Hereditas. 1971;69:193-204.

4. Buchter-Larsen A. In situ Induction af Haploide Embryoner pa Sukkerroer efterfulgt af In vitro Embryokultur. Thesis, Acad. Technical Sciences. Copenhagen, 1986.

5. Butterfass Th. Ploidie und Chloroplastenzahlen. Ber. Dtsch. bot. ges. 1959;72:440-451.

6. De La Fuente G.N., Frei U.K., Lübberstedt T. Accelerating plant breeding. Trends Plant Sci. 2013;18:667-672. DOI 10.1016/j.tplants.2013.09.001.

7. Doctrinal M., Sangwan R.S., Sangwan-Norreel B.S. In vitro gynogenesis in Beta vulgaris L.: Effects of plant growth regulators, temperature, genotypes and season. Plant Cell Tissue Organ Cult. 1989; 17:1-12. DOI 10.1007/BF00042276.

8. D’Halluin K., Keimer B. Production of haploid sugar beets (Beta vulgaris L.) by ovule culture. In: Genetic Manipulation in Plant Breeding. Berlin, 1986. DOI 10.1515/9783110871944.

9. Ferrant V., Bouharmont J. Origin of gynogenetic embryos of Beta vulgaris L. Sex. Plant Reprod. 1994;7:12-16. DOI 10.1007/BF00241883.

10. Fischer H.E. Untersuchungen an Zwillingen von Beta vulgaris L. Der Züchter. 1956;26:136-152. DOI 10.1007/BF00710616.

11. Gontarenko S.M., Gerasimenko G.M. Direct induced androgenesis in culture in vitro in sugar beet (Beta vulgaris L.). Plant Varieties Studying and Protection. 2018;14(4):375-381. DOI 10.21498/2518-1017.14.4.2018.151900. (in Ukrainian)

12. Gorecka K., Kryzanowska D., Kowalska U., Kiszczak W., Podwyszynska M. Development of embryoids by microspore and anther cultures of red beet (Beta vulgaris L. subsp. vulgaris). J. Cent. Eur. Agric. 2017;18(1):185-195. DOI 10.5513/JCEA01/18.1.1877.

13. Goska M. Monografie i Rozprawy Naukowe. Haploidy i Podwojone Haploidy Buraka Cukrowego (Beta vulgaris L.) oraz Możliwości Ich Wykorzystania w Hodowli. Radzików: Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin, 1997.

14. Goska M., Rogozinska J.H. Recent results on obtaining beet haploids through in vitro culture of anthers. Biuletyn Inst. Hodowli I Aklimatyzacji Roslin. 1981;145:141-143.

15. Gurel S., Gurel E., Kaya Z. Doubled haploid plant production from unpollinated ovules of sugar beet (Beta vulgaris L.). Plant Cell Rep. 2000;19:1155-1159. DOI 10.1007/s002990000248.

16. Hammond B.L. Homozygous diploid sugar beets. J. Am. Soc. Sugar Beet Technol. 1966;14:75-78.

17. Herrmann L., Lux H. Antherenkultur bei Zuckerruben, Beta vulgaris L. var altissima. Arch. Zuchtungsforsch. Berlin. 1988a;18(6):375-383.

18. Herrmann L., Wetzel C., Lux H. Haploiden-technik bei der zuckerrube. Potsdam Forsch. B. 1988b;57:95-99.

19. Hosemans D., Bossoutrot D. Induction of haploid plant from in vitro culture of unpollinated beet ovules (Beta vulgaris L.). Z. Pf lanzenzucht. 1983;91(1):74-77.

20. Kharechko-Savitskaya E.I. Cytology and embryology of sugar beet. Beet growing. Kiev, 1940. (in Russian)

21. Klimek-Chodacka M., Baranski R. Comparison of haploid and doubled haploid sugar beet clones in their ability to micropropagate and regenerate. Electron. J. Biotechnol. 2013;16(2):1-1. DOI 10.2225/vol16-issue2-fulltext-3.

22. Kruse A. Haploids in polyembryos of beet, Beta vulgaris L. Roy. Vet. Agric. Coll. Copenhagen: Yearb, 1961;87-98.

23. Levan A. A haploid sugar beet after colchicine treatment. Hereditas. 1945;31(3-4):399-410. DOI 10.1111/j.1601-5223.1945.tb02760.x.

24. Lukaszewska E., Sliwinska E. Most organs of sugar-beet (Beta vulgaris L.) plants at the vegetative and reproductive stages of development are polysomatic. Sex. Plant Reprod. 2007;20:99- 107. DOI 10.1007/s00497-007-0047-7.

25. Lux H., Herrmann L., Wetzel C. Production on haploid sugar beet (Beta vulgaris L.) by culturing unpollinated ovules. Plant Breed. 1990; 104:177-183. DOI 10.1111/j.1439-0523.1990.tb00420.x.

26. Maletskii S.I., Yudanova S.S., Maletskaya E.I. Harmonic proportions of chloroplast number in stomata of guard cell populations in sugar beet (Beta vulgaris L.). Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2013;17(1):72-80. (in Russian)

27. Palmer C.D., Keller W.A. Overview of haploidy. In: Haploids in Crop Improvement II. Biotechnology in Agriculture and Forestry. Springer, Berlin, Heidelberg, 2005;56:3-9. DOI 10.1007/3-540-26889-8_1.

28. Pazuki A., Aflaki F., Gürel S., Ergül A., Ekrem G. The effects of proline on in vitro proliferation and propagation of doubled haploid sugar beet (Beta vulgaris). Turkish J. Bot. 2018a;42(3):280- 288. DOI 10.3906/bot-1709-14.

29. Pazuki A., Aflaki F., Gürel E., Ergül A., Gürel S. Gynogenesis Induction in Sugar Beet (Beta vulgaris) Improved by 6-Benzylaminopurine (BAP) and Synergized with Cold Pretreatment. Sugar Tech. 2018b;20:69-77. DOI 10.1007/s12355-017-0522-x.

30. Podvigina O.A. Theoretical substantiation and biotechnology methods in sugar beet breeding: Dr Sci. (Agricult.) Dissertation. Voronezh, 2003. (in Russian)

31. Sangwan R.S., Sangwan-Norreel B.S. Ultrastructural cytology of plastids in pollen grains of certain androgenic and nonandrogenic plants. Protoplasma. 1987;138:11-22. DOI 10.1007/BF01281180.

32. Seman I. Possibilities of detection and induction of haploids in Beta vulgaris L. II Biologia (Bratislava). 1983;38:1113-1122.

33. Seman I., Farago J. In vitro cultivation of unfertilized ovules of sugar beet. Embryology and seed reproduction: XI Int. Symp. Leningrad, USSR, July 3–4, 1990. Leningrad, 1990;146.

34. Svirshchevskaya A., Dolezel J. Production and Performance of Gynogenetic Sugarbeet Lines. J. Sugar Beet Res. USA. 2000;4(37):117-133.

35. Śliwińska E., Łukaszewska E. Polysomaty in growing in vitro sugarbeet (Beta vulgaris L.) seedlings of different ploidy level. Plant Sci. 2005;168:1067-1074. DOI 10.1016/j.plantsci.2004.12.003.

36. 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.

37. Van Geyt J., D’Halluin K., Jacobs M. Induction of nuclear and cell divisions in microspores of sugar beet (Beta vulgaris L.). Z. Pf lanzenzuecht. 1985;95:325-335.

38. Van Geyt J., Speckmann G.J., D’Halluin K., Jacobs M. In vitro induction of haploid plants from unpollinated ovules and ovaries of the sugarbeet (Beta vulgaris L.). Theor. Appl. Genet. 1987;73:920-925. DOI 10.1007/BF00289399.

39. Vasilchenko E.N., Zhuzhzhalova T.P., Vashchenko T.G., Zemlyanukhina O.A., Karpechenko N.A., Podvigina O.A. Peculiarities of in vitro reproduction of sugar beet haploid regenerants. Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Universiteta = Vestnik of Voronezh State Agrarian University. 2017;3(54):57- 66. DOI 10.17238/issn2071-2243.2017.3.57. (in Russian)

40. Wremerth W.E., Levall M.W. Doubled haploid production of sugar beet (Beta vulgaris L.): Published protocols for other crop plant species. Doubled Haploid Production in Crop Plants: A Manual. Kluwer Academic Publishers, 2003. DOI 10.1007/978-94-017-1293-4_38.

41. Yudanova S.S., Maletskaya E.I., Maletskii S.I. Epiplastome Variation of the Number of Chloroplasts in Stomata Guard Cells of Sugar Beet (Beta vulgaris L.) Russ. J. Genet. 2004;40(7):930- 939. DOI 10.1023/B:RUGE.0000036525.14205.3f.

42. Zhuzhzhalova T.P., Kolesnikova E.O., Vasilchenko E.N., Cherkasova N.N. Biotechnological methods as a tool for efficient sugar beet breeding. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(1):40-47. DOI 10.18699/VJ20.593.

43. Zimmermann K. Vermendung haploider Pflanzen in der Zuchtung. Ber. Deut. Bot. Ges. 1953;66:28-30. DOI 10.1007/BF00710616.