Специалистами НПЦ НАН Беларуси по земледелию разработана и апробирована уникальная технология получения растений-регенерантов in vitro из пыльников ржи – сельскохозяйственной культуры, трудно поддающейся регенерации на искусственной питательной среде. Создание удвоенных гаплоидов (DH-линий) позволяет вдвое сократить сроки получения гомозиготных форм ржи как родительских компонентов и ускорить селекцию.

 

О том, что собой представляет данная технология, мы попросили рассказать ее авторов − заместителя генерального директора по научной работе НПЦ НАН Беларуси по земледелию Эрому Урбана и заведующего лабораторией генетики и биотехнологии Станислава Гордея (на фото).

 

 

«На современном этапе развития генетики и селекции использование эффекта гетерозиса (так называется увеличение жизнеспособности гибридов, которые унаследовали определенный набор различных генов от своих разнородных родителей) является одним из основных способов повышения урожайности сельскохозяйственных культур», − отметил Э.Урбан. Он пояснил, что для большинства культур созданы гетерозисные гибриды F1, которые широко используются в мировом сельскохозяйственном производстве. Среди зерновых лидирующее положение по использованию эффекта гетерозиса занимает озимая рожь. К слову, исследования по данной проблематике для этой культуры ведутся с конца 1960-х годов. Ее гибридные сорта зарегистрированы в странах Европы, в частности в Беларуси.

 

Успех селекции гибридных сортов определяется в первую очередь наличием широкого генофонда родительских компонентов с высокой комбинационной способностью. Для ржи – создание коллекций самофертильных (способных к самооплодотворению) линий со слабым проявлением инбредной депрессии (скрещивание близкородственных форм в пределах одной популяции организмов) в поколениях. Создание инцухт-линий (при скрещивании близкородственных форм растений) ржи традиционным способом заключается во введении генов самофертильности (Sf, Z) в популяцию (сорт, образец) ржи с последующими последовательными принудительными самоопылениями отдельных растений и отборами самофертильных форм. Такой процесс занимает около пяти лет.

 

Создание удвоенных гаплоидов (клетка с одинарным набором хромосом) растений (DH-линий, double haploid) – наиболее эффективный способ получения константных гомозиготных генотипов. Сегодня для создания дигаплоидов используется культура пыльников in vitro. Такая технология позволяет существенно сократить сроки получения гомозиготных форм.

 

Ученые рассказывают, что методика создания подобных форм наиболее успешно отработана на пшенице, тритикале, ячмене, рапсе. У ржи получение регенерантов из пыльников затруднено. Причина связана с биологическими особенностями данной культуры, в частности с самонесовместимостью и последующей инбредной депрессией. Рожь, как никакая другая культура, трудно поддается регенерации на искусственной питательной среде при использовании эмбриокультуры и культуры пыльников.

 

Отработку технологии культуры пыльников in vitro для ржи ученые называют новым и актуальным направлением исследований для нашей страны.

 

«При этом необходимо было провести отработку всех этапов: определить оптимальную стадию развития микроспор для посадки пыльников на искусственные среды, методы предобработки колосьев, способы посадки пыльников на питательные среды. В определении нуждались состав питательных сред, условия искусственного климата для индукции каллусообразования, прямого эмбриогенеза и регенерации, методы удвоения числа хромосом, а также процесс пересадки регенерантов в искусственную почву и грунт и адаптация ex vitro», − рассказывают ученые. Для ржи ни один из вышеуказанных этапов культуры пыльников in vitro не отрабатывался, и в целом исследования в данном направлении в нашей стране в прошедшие два десятилетия не проводились.

 

Исходным материалом для исследований служили диплоидный сорт Голубка, тетраплоидный сорт Белая Вежа, гетерозисный гибрид F1 и инцухт-линия из коллекции НПЦ НАН Беларуси по земледелию. Для проведения исследований с использованием различных питательных сред по всем образцам ржи было высажено свыше 24 тыс. пыльников.

 

Как выяснилось, наибольшей способностью к формированию новообразований характеризовался тетраплоидный сорт ржи Белая Вежа. У пыльников данного сорта сформировалось наибольшее количество каллусов (новообразований). Оказалось, что большую роль в формировании каллусов играют типы питательных сред. Наибольшее количество каллусов образовалось у пыльников при использовании среды Мурасиге-Скуга (ее состав был придуман физиологами растений Тошио Мурасиге и Фольке Скугом в 1962 году) с добавлением сахарозы. По мнению наших ученых, относительно высокая способность каллусообразования у тетраплоидного сорта ржи Белая Вежа, вероятно, связана с диплоидным набором числа хромосом в генеративных тканях. Это, скорее всего, повлияло на ряд физиологических процессов, влияющих на прорастание пыльников. Как показали результаты, новообразования из каллусов формировались почти в 60% случаев, в среднем для всех использованных форм ржи. После формирования корневой системы и первичных листьев, растения-регенеранты от пыльников сорта ржи Белая Вежа были пересажены из пробирок на искусственную почву, затем в сосуды с грунтом.

 

 

 

Из 28 зеленых растений на различных стадиях онтогенеза из-за различных нарушений в хромосомном составе погибло 15. В основном это происходило после стадии яровизации до цветения. Из 13 оставшихся генотипов семена удалось получить на 7-ми, остальные растения были полностью стерильны. Все семь, давшие семенное потомство, характеризовались слабым уровнем озерненности колоса и низкой массой тысячи зерен.

 

Ученые полагают, что стабилизация созданных генотипов ржи произойдет в ближайшие несколько поколений. По их мнению, результаты настоящих исследований показали возможность использования технологии андрогенеза для ржи. Тем не менее не удалось получить удвоенные гаплоиды на генетической основе диплоидных образцов ржи. В первую очередь это обусловлено биологией данной зерновой культуры. Окончательно не разработаны и этапы культуры пыльников применительно ко ржи. Крайне слабая ее отзывчивость на культуру in vitro каких бы то ни было генотипов требует скрупулезной разработки каждой стадии процесса, основными из которых являются состав питательных сред и режимы культивирования. Это задача на ближайшее будущее.

 

И все же, несмотря на низкий процент выхода фертильных удвоенных гаплоидов (5,6% от числа посаженных каллусов), удалось получить растения-регенеранты из пыльников тетраплоидного сорта ржи Белая Вежа, а также семенное потомство. Это достойный результат!