Селекція in vitro тритикале на стійкість до абіотичних стресових чинників (огляд)

Автор(и)

  • S. V. Pykalo Миронівський інститут пшениці імені В. М. Ремесла НААН

DOI:

https://doi.org/10.31073/mvis201909-12

Ключові слова:

тритикале, клітинна селекція, водний дефіцит, засолення, іони алюмінію, стійкість

Анотація

Значним досягненням сучасної генетики і селекції рослин є створення нової зернової культури – тритикале, сорти якого успішно впроваджуються в сільськогосподарське виробництво. Проте в різні роки виробництво зерна цього злаку є нестабільним. Основними факторами обмеження продуктивності сільськогосподарських культур та тритикале зокрема є абіотичні стресори. Тому важливе значення для селекційного поліпшення тритикале має стійкість до абіотичних стресових чинників довкілля, що дасть змогу збільшити площі під цією культурою в районах з несприятливими кліматичними умовами. Значущим у селекції тритикале є використання клітинних технологій, завдяки яким створюється генетичне розмаїття на рівні соматичних клітин, з наступним скринінгом генотипів, що мають цінні ознаки. Одним з інноваційних напрямів, що дають змогу розширити спектр вихідного матеріалу й активізувати селекційний процес, спрямований на створення високопродуктивних стійких сортів, є клітинна селекція. У представленому огляді висвітлено основні досягнення вітчизняних і зарубіжних учених щодо селекції in vitro тритикале на стійкість до абіотичних стресових чинників довкілля, зокрема водного дефіциту, засолення, забруднення іонами алюмінію. Окреслено основні напрями, методи добору та оцінювання, а також можливості, перспективи і проблеми клітинної селекції – однієї з найважливіших галузей сучасної біотехнології рослин. Аналіз літературних джерел свідчить, що незважаючи на успіхи та значні досягнення в розвитку та використанні клітинних технологій розв’язання потребують ряд методичних проблем, які знижують масштаби впровадження біотехнологічних розробок у практику. Подальший прогрес у клітинній селекції тритикале залежить не лише від розвитку клітинних технологій, але й від більш глибокого пізнання молекулярних механізмів регуляції та експресії генів стійкості. Вивчення особливостей та механізмів геномної мінливості in vitro тритикале за дії абіотичних стресорів та пошуки шляхів її регуляції дадуть змогу більш ефективно використовувати технологію клітинної селекції, сомаклональну мінливість та інші біотехнологічні підходи.

Посилання

Oettler, G. (2005). The fortune of a botanical curiosity – Triticale: past, present and future. J. Agric. Sci., 143(5), 329–346. doi: 10.1017/S0021859605005290

Mohammad, F., Ahmad, I. Khan, N. U., Maqbool, K., Naz, A., Shaheen, S., & Ali, K. (2011). Comparative study of morphological traits in wheat and triticale. Pak. J. Bot., 43, 165–170.

Kavanagh, V. B., Hall, J. C., & Hall, L. M. (2010). Potential hybridization of genetically engineered triticale with wild and weedy relatives in Canada. Crop Sci., 50(4), 1128–1140. doi: 10.2135/cropsci2009.11.0644

Rybalka, О. І., Morgun, V.V., Morgun, B. V., & Pochynok, V. M. (2015). Agronomic potential and perspectives of triticale. Plant Physiology and Genetics, 47(2), 95–111. [in Ukrainian]

Vasilkivskyi, S. P., Gudzenko, V. M., Kochmarskyi, V. S., & Kyrylenko, V. V. (2017). Realization of cereals varieties potential as a way of solving the food problem. Factors in Experimental Evolution of Organisms, 21, 47–51. [in Ukrainian]

Orlovskaya, O. A., & Khotyleva, L. V. (2013). Assessment for resistance to biotic and abiotic factors of winter triticale hybrids created on the basis of samples of different ecological and geographical origin. Molecular and Applied Genetics, 14, 77–83. [in Russian]

Avdeyev, Y. I., & Slascheva, L. A. (2014). Resistance winter triticale to extreme abiotic factors of environment in aired territory of cultivation. Astrakhan Bulletin for Environmental Education, 29(3), 84–87. [in Russian]

Blum, A. (2014). The abiotic stress response and adaptation of triticale – a review. Cereal Res. Commun., 42(3), 359–375. doi: 10.1556/CRC.42.2014.3.1

Reshetnikov, V. N., Spiridovich, E. V., & Nosov, A. M. (2014). Plant biotechnology and perspectives of its development. Plant Physiology and Genetics, 46(1), 3–18. [in Russian]

Dubrovna, O. V., Morgun, B. V., & Bavol, A. V. (2014). Biotechnology of Wheat: Cell Selection and Genetic Engineering. Kyiv: Lohos. [in Ukrainian]

Morgun, V. V., Dubrovna, O. V., & Morgun, B. V. (2016). The modern biotechnologies of producing wheat plants resistant to stresses. Plant Physiology and Genetics, 48(3), 196–214. [in Ukrainian]. doi: 10.15407/frg2016.03.196

Rai, M. K., Kalia, R. K., Singh, R., Gangola, M. P., & Dhawan, A. K. (2011). Developing stress tolerant plants through in vitro selection – An overview of the recent progress. Environ. Exper. Bot., 71(1), 89–98. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2010.10.021" target="_blank">doi: 10.1016/j.envexpbot.2010.10.021

Lestari, E. G. (2006). In vitro selection and somaclonal variation for biotic and abiotic stress tolerance. Biodiversitas, 7(3), 297–301. doi: 10.13057/biodiv/d070320

Dubrovna, O. V., & Morgun, B. V. (2009). Cellular selection of wheat for resistance to stress factors of environment. Physiology and Biochemistry of Cultivated Plants, 41(6), 463–475. [in Ukrainian]

Maluszynski, M., Ahloowalia, B. S., & Sigurbjörnsson, B. (1995). Application of in vivo and in vitromutation techniques for crop improvement. Euphytica, 85(1–3), 303–315. doi: 10.1007/BF00023960

Dubrovnaya, O. V. (2017). In vitro selection of wheat for resistance to abiotic stress factors. Plant Physiology and Genetics, 49(4), 279–292. [in Russian]. doi: 10.15407/frg2017.04.279

Zinchenko, M. O., Bavol, A. V., & Dubrovna, O. V. (2012). In vitro selection of wheat for complex resistance to metabolites of take-all disease agent and water deficit. The Bulletin of Vavilov Society of Geneticists and Breeders of Ukraine, 10(1), 20–27. [in Ukrainian]

Zinchenko, M. A., Dubrovnaya, O. V., & Bavol, A. V. (2013). In vitro selection of wheat for complex resistance and analysis of obtained form. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 15(3(5)), 1610–1614. [in Russian]

Bavol, A. V., Dubrovna, O. V., & Lialko, I. I. (2008). Plant regeneration from various types of explants of soft wheat. Physiology and Biochemistry of Cultivated Plants, 40(2), 150–156. [in Ukrainian]

Pykalo, S. V., Voloshchuk, S. I., & Voloshchuk, H. D. (2015). Plant regeneration of winter triticale in culture of various types of explants. The Bulletin of Kharkiv National Agrarian University. Series Biology, 1, 71–79. [in Ukrainian]

Atak, N., Muharemm, K., Khavar, K. M., Saglam, S., Özcan, S., & Ciftci, C. Y. (2008). Effect of age on somatic embryogenesis from immature zygotic embryos of 5 Тurkish triticale genotypes. Afr. J. Biotechnol., 7(11), 1765–1768.

Honcharuk, O. M., Bavol, A. V., & Dubrovna, O. V. (2014). Morphogenesis in apical meristems culture of highly productive winter wheat varieties. Plant Physiology and Genetics, 46(3), 245–251. [in Ukrainian]

Honcharuk, O. M., Bavol, A. V., & Dubrovna, O. V. (2011). Morphogenic potential of high-yielding winter wheat varieties in shoot apical meristem culture. Factors in Experimental Evolution of Organisms, 11, 237–241. [in Ukrainian]

Bavol, A. V., Dubrovna, O. V., & Lialko, I. I. (2007). Plant regeneration from shoot tips of wheat. The Bulletin of Vavilov Society of Geneticists and Breeders of Ukraine, 5(1/2), 3–10. [in Ukrainian]

Dubrovna, О. V., Chugunkova, T. V., Bavol, А. V., & Lialko, I. I. (2012). Biotechnological and Cytogenetic Bases for Creation of Plants Resistant to Stresses. Kyiv: Lohos. [in Ukrainian]

Pykalo, S. V., Zinchenko, M. O., Voloshchuk, S. I., & Dubrovna, O. V. (2015). Morphogenesis of winter triticale in shoot apical meristem culture. In Biotechnology: Achievements and Prospects of Development: Proc. I Int. Sci. Conf. (pp. 29–34). Sept. 25–26, 2014, Pinsk, Belarus. [in Russian]

Pykalo, S. V., Zinchenko, M. O., Voloshchuk, S. I., & Dubrovna, O. V. (2014). Screening of winter triticale genotypes for resistance to water deficit in in vitro culture of shoot apical meristems. The Bulletin of Ukrainian Society of Geneticists and Breeders, 12(2), 191–199. [in Ukrainian]

Pykalo, S. V., & Dubrovna, O. V. (2017). Screening of genotypes of winter triticale for resistance to salt stress in the shoot apical meristem culture. Plant Varieties Studying and Protection, 13(3), 277–284. doi: 10.21498/2518-1017.13.3.2017.110710. [in Ukrainian]

ShouXi, C., & Kleijer, G. (2001). Effects of Fusarium metabolites on growth of callus and seedling in triticale. Acta Prataculturae Sin., 10, 78–85.

Góral, T., & Arseniuk, E. (1997). Somaclonal variation in winter triticale for resistance to Fusarium head blight. Cereal Res. Commun., 25, 741–742. doi: 10.1007/BF03543830

Cheng-he, Z., Jun, C., & Wen-Kui, B. (1986). Selection and characterization of high pH resistant or salt resistant variants from haploid triticale callus (n=28). Acta Bot. Sin., 28(2), 137–144.

Kai-Jun, Z., & Wen-Kui, B. (1993). Preliminary research on the mechanism of the origin of salt-tolerant somaclonal variant in octoploid triticale. Sci. Agric. Sin., 26(5), 25–31.

Wang, X.-J. (1998). Genetic mechanism of the occurrence of salt tolerant variant of octoploid triticale under tissue and cell culture. Acta Bot. Sin., 40(4), 330–336.

Kleijer, G., Diop, N. N., & Fossati, A. (1996). Plant regeneration and in vitro selection of triticale. In H. Guedes-Pinto, N. Darvey, & V. P. Carnide (Eds.). Triticale: Today and Tomorrow. Developments in Plant Breeding (Vol. 5, pp. 132–144). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Blum, A. (2005). Drought resistance, water-use efficiency, and yield potential – are they compatible, dissonant, or mutually exclusive? Austr. J. Agricult. Res., 56(11), 1159–1168. doi: 10.1071/AR05069

Raveena, Bharti, R., & Chaudhary, N. (2019). Drought resistance in wheat (Triticum aestivum L.): a review. Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci., 8(9), 1780–1792. doi: 10.20546/ijcmas.2019.809.206

Mwadzingeni, L., Shimelis, H., Dube, E., Laing, M. D., & Tsilo, T. J. (2016). Breeding wheat for drought tolerance: Progress and technologies. J. Integr. Agr., 15(5), 935–943 doi: 10.1016/S2095-3119(15)61102-9

Makar, O. O., Patsula, O. I., Kavulych, Y. Z., Batrashkina, T. I., Bunio, L. V., Kozlovskyy, V. I., Vatamaniuk, O., Terek, O. O., & Romanyuk, N. D. (2019). Excized leaf water status as a measure of drought resistance of Ukrainian spring wheat. Stud. Biol., 13(2), 41–54. doi: 10.30970/sbi.1302.604

Tagimanova, D. S., Ergalieva, A. Zh., Rayzer, O. B., & Khapilina, O. N. (2013). Assessment of spring bread wheat genotypes for drought tolerance in vitro. Eurasian Journal of Applied Biotechnology, 2, 42–46. [in Russian]

Rosseyev, V. M., Belan, I. A., & Rosseyeva, L. P. (2016). The use of in vitro method in spring soft wheat selective breeding. Bulletin of Altai State Agricultural University, 2, 5–9. [in Russian]

Dragiiska, R., Djilianov, D., Denchev, P., & Atanassov, A. (1996). In vitro selection for osmotic tolerance in alfalfa (Medicago sativa L.). Bulg. J. Plant Physiol., 22(3–4), 30–39.

Gawande, N. D., Mahurkar, D. G., Rathod, T. H., Jahagirdar, S. W., & Shinde, S. M. (2005). In vitro screening of wheat genotypes for drought tolerance. Ann. Plant Physiol., 19(2), 162–168.

Galovic, V., Kotaranin, Z., & Dencic, S. (2005). In vitro assessment of wheat tolerance to drought. Genetika, 37(2), 165–171.

Abdrasheva, К. К., Tagimanova, D. S., Khapilina, О. N., & Kupeshev, Z. S. (2015). In vitro selection of varieties of peas and triticale for resistance to abiotic stresses. In Biology – the Science of the ХХІ Century: Proc. of 19th Int. Pushch. Conf. Young Scient. (pp. 3–4). April 20–24, 2015, Pushchino, Russia. [in Russian]

Generozova, I. P., Maevskaya, S. N., & Shugaev, A. G. (2009). Inhibition of the metabolic activity of mitochondria of etiolated pea seedlings subjected to water stress. Plant Physiology, 56(1), 45–52. [in Russian]

Ahmed, A. (1999). Response of immature embryos in vitro regeneration of some wheat (Triticum aestivum L.) genotypes under different osmotic stress of mannitol. J. Agric. Sci., 30(3), 25–34.

Dubrovna, O. V., Bavol, A. V., Zinchenko, M. A., Lyalko, I. I., & Kruglova, N. М. (2011). Effect of osmotic substances on the common wheat callus lines resistant to culture filtrate of Gaeumannomyces graminis var. tritici. The Bulletin of Vavilov Society of Geneticists and Breeders of Ukraine, 9(1), 10–16. [in Ukrainian]

Pykalo, S. V. (2014). In vitro selection of genotypes of winter triticale for resistance to osmotic stress. In Advances in Genetics, Plant Breeding, and Cropping to Improve Grain Production: Collected Abstracts of Int. Sci. Conf. of Young Researchers (p. 46). June 18, 2014, Myronivka, Ukraine. [in Ukrainian]

Pykalo, S. V., Zinchenko, M. O., Voloshchuk, S. I., & Dubrovna, O. V. (2015). In vitro selection of winter triticale for resistance to water deficit. Biotechnol. Acta, 8(2), 69–77. [in Ukrainian]. doi: 10.15407/biotech8.02.069

Krasensky, J., & Jonak, C. (2012). Drought, salt, and temperature stress-induced metabolic rearrangements and regulatory networks. J. Exper. Bot., 63(4), 1593–1608. doi: 10.1093/jxb/err460

Bartels, D., & Sunkar, R. (2005). Drought and salt tolerance in plants. Crit. Rev. Plant Sci., 24(1), 23–58. doi: 10.1080/07352680590910410

Richards, R. A., Dennett, C. W., Qualset, C. O., Epstein, E., Norlyn, J. D., & Winslow, M. D. (1987). Variation in yield of grain and biomass in wheat, barley, and triticale in a salt-affected field. Field Crops Res., 15(3–4), 277–287.

Semushina, L. A., & Sinelnikova, V. N. (1977). Guidelines for Using Vegetation Methods in Studying the Salt Tolerance of Annual Agricultural Plants. Leningrad: All-Union Research Institute of Plant Production. [in Russian]

Munns, R., & James, R. A. (2003). Screening methods for salinity tolerance: a case study with tetraploid wheat. Plant and Soil, 253(1), 201–218. doi: 10.1023/A:1024553303144

Sudyova, V., Slikova, S., & Galova, Z. (2002). Testing wheat (Triticum aestivum L.) and triticale (Triticosecale Witt.) callus to salt tolerance. Acta Fytotechn. Zootechn., 3, 67–71.

Pykalo, S. V., Dubrovna, O. V., & Demydov O. A. (2017). Cell selection of winter triticale for resistance to salt stress. Factors in Experimental Evolution of Organisms, 20, 247–251. [in Ukrainian]

Bezirğanoğlu, İ. (2017). Response of five triticale genotypes to salt stress in in vitro culture. Turk. J. Agric. For., 41(5), 372–380.

Voloshchuk, S. I. (2014). Induced androgenesis in winter triticale breeding. News of Agrarian Sciences, 3, 36–40. [in Ukrainian]

Pykalo, S. V., & Voloshchuk, S. I. (2014).The study of tolerance to salinity of winter triticale genotypes using isolated microspores culture. Plant Physiology and Genetics, 46(3), 267–273. [in Ukrainian]

Barcelo, J., & Poschenrieder, C. (2002). Fast root growth responses, root exudates, and internal detoxification as clues to the mechanisms of aluminium toxicity and resistance: a review. Environ. Exp. Bot., 48(1), 75–92. doi: 10.1016/S0098-8472(02)00013-8

Dinev, N., & Stancheva, I. (1993). Effect of aluminum on the growth of wheat, rye, and triticale. Plant Nutr., 16(3), 461–469. doi: 10.1080/01904169309364545

Zhang, X. G., & Jessop, R. S. (2002). Differential responses to selection for aluminium stress tolerance in triticale. Aust. J. Agric. Res., 53(12), 1295–1303. doi: 10.1071/AR01187

Samac, D. A., & Tesfaye, M. (2003). Plant improvement for tolerance to aluminum in acid soils – a review. Plant Cell, Tiss. Organ Cult., 75(3), 189–207. doi: 10.1023/A:1025843829545

Bona, L., & Carver, B. F. (1998). A proposed scale for quantifying aluminum tolerance levels in wheat and barley detected by hematoxylin staining. Cereal Res. Commun., 26(1), 97–99. doi: 10.1007/BF03543474

Morath, D., Oettler, G., & Melchinger, A. E. (1996). Screening methods for aluminium tolerance in seedlings of triticale. In H. Guedes-Pinto, N. Darvey, & V. P. Carnide (Eds.). Triticale: Today and Tomorrow. Developments in Plant Breeding (Vol. 5, pp. 453–459). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Kolesnikova, N. N. (2013). Assessment of spring triticale for resistance to aluminum toxicity. In Cell Biology and Plant Biotechnology: Proc. Int. Sci. Conf. (p. 98). February 13–15, 2013, Pinsk, Belarus. [in Russian]

Conner, A. J., & Meredith, C. P. (1985). Large scale selection of aluminum-resistant mutants from plant cell culture: expression and inheritance in seedlings. Theor. Appl. Genet., 71(2), 159–165. doi: 10.1007/BF00252050

Gaus, C. S., Oettler, G., & Hesemann, C.-U. (1996). Response of mature triticale embryos to aluminium-toxic callus induction media. In H. Guedes-Pinto, N. Darvey, & V. P. Carnide (Eds.). Triticale: Today and Tomorrow. Developments in Plant Breeding (Vol. 5, pp. 365–371). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Pat. 136957 UA, IPC A01H 1/04, The method of in vitro selection of aluminum-resistant genotypes of winter triticale, Pykalo, S. V., Demydov, O. A., Voloshchuk, S. I., Kharchenko, M. V., Publ. 25.09.2019. [in Ukrainian]

Farshadfar, E., Jamshidi, B., Cheghamirza, K., & da Silva, J. A. T. (2012). Evaluation of drought tolerance in bread wheat (Triticum aestivum L.) using in vivo and in vitro techniques. Ann. Biol. Res., 3(1), 465–476.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-12-15

Номер

Розділ

Генетика і біотехнологія