POLIEMBRIONIA I ANDROGENEZA JAKO ŹRÓDŁO HAPLOIDÓW U WYBRANYCH GATUNKÓW Z RODZAJU Capsicum

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 517: POLIEMBRIONIA I ANDROGENEZA JAKO ŹRÓDŁO HAPLOIDÓW U WYBRANYCH GATUNKÓW Z RODZAJU Capsicum Dorota Olszewska, Iwona Jędrzejczyk, Paweł Nowaczyk Katedra Genetyki i Hodowli Roślin, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J.J. Śniadeckich w Bydgoszczy Wstęp Haploidy są obecnie coraz powszechniej wykorzystywane w hodowli wielu gatunków roślin uprawnych. Opracowano wiele metod otrzymywania roślin haploidalnych. Ich efektywność zaleŝy przede wszystkim od genotypu form matecznych. Do produkcji haploidów i linii DH papryki powszechnie wykorzystuje się metodę androgenezy w kulturach pylników in vitro [MATSUBARA i in. 1992; MITYKÓ i in. 1995a, 1995b]. Wiadomo równieŝ, Ŝe gatunki z rodzaju Capsicum wykazują pewną zdolność do tworzenia nasion wielozarodkowych [NOWACZYK, NOWACZYK 1996; NOWACZYK i in. 1999; NOWACZYK, JĘDRZEJCZYK 2000], które mogą być równieŝ źródłem form haploidalnych. Celem podjętych badań była ocena wybranych gatunków z rodzaju Capsicum pod względem moŝliwości otrzymywania haploidów w wyniku poliembrionii i androgenezy. Materiał i metody Materiałem badawczym były następujące gatunki z rodzaju Capsicum: C. frutescens L., C. chinense JACQ. i C. baccatum L. var. pendulum. Uprawę prowadzono w nieogrzewanym tunelu foliowym. Stosowano zabiegi agrotechniczne typowe dla papryki rocznej. Z uwagi na zróŝnicowanie cech morfologicznych u C. frutescens L. wyróŝniono trzy klasy fenotypowe: rośliny o owocach czerwonych i twardym miąŝszu, owocach czerwonych i miękkim miąŝszu (typ soft-flesh) i owocach Ŝółtych. W obrębie C. chinense JACQ. wyodrębniono grupy roślin o owocach czerwonych i brązowych. Dla określenia częstotliwości występowania zarodków bliźniaczych, na bibuły filtracyjne wysiano 4000 nasion z kaŝdego genotypu. Test na obecność form wielozarodkowych przeprowadzono zgodnie z wcześniej opracowaną metodą [NOWACZYK i in. 1999]. Częstotliwość poliembrionii obliczono na podstawie procentowego udziału roślin bliźniaczych w stosunku do liczby skiełkowanych nasion.

2 534 D. Olszewska, I. Jędrzejczyk, P. Nowaczyk Kultury pylników prowadzono zgodnie z metodą opracowaną przez DUMAS DE VAULX i in. [1981] dla gatunku C. annuum L. W pierwszej połowie lipca pobierano pąki kwiatowe, u których stosunek płatków korony do działek kielicha wynosił 1 : 1. Z kaŝdego genotypu wyłoŝono pylniki ze 100 pąków (500 pylników/genotyp). Ocenę stopnia ploidalności otrzymanych roślin i tkanki kalusowej wykonano stosując cytometr przepływowy. Materiał roślinny do analizy przygotowano zgodnie z zaleceniami GALBRAITH A i in. [1983], z niewielkimi modyfikacjami. Jako standard zewnętrzny wykorzystano młode liście diploidalnych roślin z rodzaju Capsicum. Analizę przeprowadzono za pomocą cytometru Partec CCA (Münster, Niemcy). Pomiar prowadzono dla minimum 5000 jąder. Uzyskane wyniki zostały zebrane w postaci histogramów, które analizowano przy uŝyciu programu komputerowego Partec DPAC V.2.2. Wyniki i dyskusja U wszystkich badanych gatunków stwierdzono obecność nasion wielozarodkowych (tab. 1). Częstotliwość poliembrionii wynosiła od 0,03% u C. chinense JACQ. o owocach czerwonych, do 0,33% u C. frutescens L. o owocach czerwonych i twardym miąŝszu. Wśród 31 otrzymanych par roślin bliźniaczych formy haploidalne stanowiły 16%. Najwięcej haploidów pojawiło się wśród bliźniaczych nasion C. frutescens L. Ocena cytometryczna 17 par bliźniąt tego gatunku potwierdziła obecność 5 roślin haploidalnych, z których 4 naleŝały do klasy fenotypowej o owocach czerwonych i twardym miąŝszu, a jedna do klasy o owocach typu soft-flesh. W przypadku gatunku C. baccatum L. var. pendulum otrzymano dwie pary bliźniacze, w tym jedną roślinę haploidalną. Wszystkie haploidy towarzyszyły diploidom w układzie n-2n. Według DUMAS A DE VAULX [1977] takie bliźniacze pary mogą powstać z synergidy i zapłodnionej komórki jajowej. MORGAN i RAPPLEYE [1950, 1954] twierdzą, Ŝe haploidy w takich parach powstają z niezapłodnionych elementów woreczka zaląŝkowego, prawdopodobnie z synergid. Ich udział nie jest wysoki ze względu na obniŝoną Ŝywotność wynikającą z mniejszych organów i słabszego wzrostu. Nie bez znaczenia są równieŝ warunki prowadzenia badań, przede wszystkim w pierwszym okresie wegetacji, kiedy haploidy są w stadium siewki. WaŜna jest równieŝ jakość testowanych nasion, które powinny być wolne od wszelkich chorób grzybowych. W przeprowadzonym doświadczeniu dla genotypu C. chinense JACQ. otrzymano 12 bliźniaczych par, wśród których nie było roślin haploidalnych. Diploidalne rośliny mogły powstać z zapłodnienia komórki jajowej przez plemnik albo w wyniku podziałów pojedynczych komórek ośrodka lub osłonek woreczka zaląŝkowego. Jak dowodzą badania przedstawione przez NOVAK A i BETLACH A [1969], NOWACZYKA i NOWACZYK [1989] oraz własne wyniki otrzymane w doświadczeniu, częstotliwość pojawiania się roślin monoploidalnych wśród kiełkujących nasion bliźniaczych uzaleŝniona jest od genotypu. Podobną zaleŝność obserwowano równieŝ w kulturach izolowanych pylników. W badaniach do indukcji androgenezy pylniki izolowano z pierwszych pąków zawiązanych na roślinach donorowych, u których stosunek płatków korony do działek kielicha wynosił 1 : 1. Zawierały one mikrospory w fazie późnojednojądrowej lub wczesnodwujądrowej, optymalnej do indukcji androgenezy [KIM i in. 2004]. Androgeniczne zarodki obserwowano jedynie dla

3 POLIEMBRIONIA I ANDROGENEZA JAKO ŹRÓDŁO HAPLOIDÓW gatunku C. frutescens L. (tab. 1). Wśród 10 zregenerowanych roślin połowę stanowiły formy haploidalne. NaleŜały one do klasy fenotypowej soft-flesh. Efektywność androgenezy wyniosła w tym przypadku 1,8%. W porównaniu do wyników uzyskiwanych dla uprawnych linii gatunku C. annuum L. naleŝy uznać ją za relatywnie niską. W badaniach prowadzonych nad genotypami naleŝącymi do papryki rocznej [GYULAI i in. 2000; GÉMESNÉ i in. 2001] liczba roślin uzyskanych na drodze androgenezy wahała się od kilku do kilkunastu procent. Tabela 1; Table 1 Efektywność poliembrionii i androgenezy u gatunków z rodzaju Capsicum The effectiveness of polyembryony and androgenesis in species of Capsicum genus Gatunek Species C. frutescens (owoce czerwone, twardy miąŝsz; red fruits, hard flesh) poliembrionia polyembryony liczba otrzymanych par bliźniaczych number of obtained twins 13 0,3 Efektywność Effectiveness androgeneza androgenesis % liczba otrzymanych roślin number of obtained plants 3 % C. frutescens (owoce czerwone, soft-flesh; red fruits, soft-flesh) 4 0, ,80 C. frutescens (owoce zółte; yellow fruits) 7 0,2 5 Razem; Total 24 0,2 3 C. chinense (owoce czerwone; red fruits) 1 0,0 3 C. chinense (owoce brązowe; brown fruits) 11 0,2 7 Razem; Total 12 0,1 8 C. baccatum var. pendulum 2 0, , ,67 Obserwowano równieŝ zjawisko ryzogenezy i tworzenia tkanki kalusowej, jednak analiza cytometryczna nie wykazała obecności haploidalnych komórek w badanych tkankach.

4 536 D. Olszewska, I. Jędrzejczyk, P. Nowaczyk Wnioski Wyniki potwierdzają decydującą rolę genotypu w indukcji form haploidalnych. W doświadczeniu powstawanie haploidalnych zarodków na drodze poliembrionii i androgenezy obserwowano jedynie u gatunku C. frutescens L. Dla dzikich gatunków: C. chinense JACQ. i C. baccatum L. var. pendulum nadal jedyną drogą wydaje się być poszukiwanie sporadycznie występujących haploidów wśród zarodków bliźniaczych. Wykorzystanie zjawiska androgenezy dla tych genotypów wiąŝe się z koniecznością modyfikacji prowadzenia kultury pylników in vitro. Literatura DUMAS DE VAULX R Embryogenesis of haploids in the pepper (Capsicum annuum L.). Third Eucarpia Congress, Avignon-Montfavet. France, 5-8 VII Pochard (red.). Capsicum 77: DUMAS DE VAULX R., CHAMBONNET D., POCHARD Culture in vitro d antheres de piment (Capsicum annuum L.): amelioration des taux d obtention de plantes ches differentes genotypes par des traitements a +35 C. Agronomie 1(10): GALBRAITH D.W., HARKINS K.R., MADDOX J.M., AYRES N.M., SHARMA D.P., FIROOZABADY E Rapid flow cytometry analysis of the cell cycle in intact plant tissues. Science 220: GÉMESNÉ J.A., PETUS M., GYULAI G., CSÉPLÖ M Genetic variability of anther donor versus spontaneous doubled haploid descendents and colchicine induced doubled haploid sweet pepper (Capsicum annuum L.) lines. Acta Hort. 560: GYULAI G., GEMESNE J.A., SAGI ZS., VENCZEL G., PINTER P., KRISTOF Z., TORJEK O., HESZKY I., BOTTKA S., KISS J., ZATYKO L Doubled haploid development and PCR-analysis of F 1 hybrid derived DH-R 2 paprika (Capsicum annuum L.) lines. J. Plant Physiol., Vol. 159: KIM M., KIM J., YOON M., CHOI D.I., LEE K.M Origin of multicellular pollen and pollen embryos in cultured anthers of pepper (Capsicum annuum). Plant Cell Tiss. Org. Cult. 77: MATSUBARA S., HU K., MURAKAMI K Embryoid and callus formation from pollen grains of eggplant and pepper by anther culture. J. Japan. Soc. Hort. Sci. 61(1): MITYKÓ J., ANDRASAFALVY A., CSILLÉRY G., FARI M. 1995a. Anther-culture response in different genotypes and F 1 hybrids of pepper (Capsicum annuum L.). Plant Breeding 114: MITYKÓ J., CHAMBONNET D., ADAM G., ANDRASAFALVY A., FARI M. 1995b. In vitro haploidy of spice and bell peppers: It s control for large-scale application. IX th Meeting on Genetics and Breeding on Capsicum and Eggplant, Budapest: MORGAN D.T., RAPPLEYE R.D Twin and triplet pepper seedlings. A study of polyembryony in Capsicum frutescens L. J. Heredity 41: MORGAN D.T., RAPPLEYE R.D A cytogenetic study on the origin of multiple seedlings of Capsicum frutescens. Am. J. Botany 41:

5 POLIEMBRIONIA I ANDROGENEZA JAKO ŹRÓDŁO HAPLOIDÓW NOVAK F., BETLACH J Somaticka haploidie u papriky (Capsicum annuum L.). Genetica a Slechteni 5: NOWACZYK P., JĘDRZEJCZYK I Polyembryony and haploid embryogenesis in Capsicum baccatum L. Vort. Pflanzenzüchtung 47: 62. NOWACZYK P., JĘDRZEJCZYK I., NOWACZYK L ZróŜnicowanie fenotypowe bliźniaczych form papryki (Capsicum annuum L.) i pomidora (Lycopersicon esculentum P. Mill.). Zesz. Nauk. ATR w Bydgoszczy, Rolnictwo 44: NOWACZYK P., NOWACZYK L In vivo induction of haploids in Capsicum annuum L. using growth regulator. Twelfth Eucarpia Congress Vortäge für Pflanzenzuchtg 15. NOWACZYK P., NOWACZYK L The influence of growth regulators on the frequency of polyembryony in pepper (Capsicum annuum L.). Genetica Polonica, Vol. 37A: Słowa kluczowe: androgeneza, C. baccatum L. var. pendulum, C. chinense JACQ., C. frutescens L., haploid, poliembrionia Streszczenie Oceniono gatunki: C. frutescens L., C. chinense JACQ. oraz C. baccatum L. var. pendulum pod względem moŝliwości otrzymywania roślin haploidalnych w wyniku poliembrionii i androgenezy. Dla określenia częstotliwości występowania zarodków bliźniaczych z kaŝdego genotypu przetestowano po 4000 nasion. Kultury pylników prowadzono zgodnie z metodą opracowaną przez Dumas de Vaulx i in. (1981) dla C. annuum L. Na poŝywki indukujące proces androgenezy wyłoŝono po 500 pylników z kaŝdego genotypu. Ocenę stopnia ploidalności otrzymanych roślin oraz tkanki kalusowej przeprowadzono za pomocą cytometru przepływowego. W przypadku wszystkich ocenianych gatunków stwierdzono obecność nasion wielozarodkowych. Częstotliwość poliembrionii wynosiła od 0,03% u C. chinense JACQ. do 0,33% u C. frutescens L. Wśród 31 otrzymanych par roślin bliźniaczych formy haploidalne stanowiły 16% i pojawiły się u gatunków: C. frutescens L. i C. baccatum L. var. pendulum. Androgeniczne zarodki obserwowano jedynie u gatunku C. frutescens L. Efektywność androgenezy wyniosła 1,8%. Obserwowano zróŝnicowanie badanych gatunków pod względem zdolności do indukcji form haploidalnych w wyniku poliembrionii i androgenezy. POLYEMBRYONY AND ANDROGENESIS AS A SOURCE OF HAPLOIDS IN SELECTED SPECIES OF Capsicum GENUS Dorota Olszewska, Iwona Jędrzejczyk, Paweł Nowaczyk Department of Genetics and Plant Breeding, The University of Technology and Life Sciences, Bydgoszcz Key words: androgenesis, C. baccatum L. var. pendulum, C. chinense JACQ., C. frutescens L., haploid, polyembryony

6 538 D. Olszewska, I. Jędrzejczyk, P. Nowaczyk Summary The research estimated the possibility of obtaining haploid plants in species: C. frutescens L., C. chinense JACQ. and C. baccatum L. var. pendulum by polyembryony and androgenesis. To determine the frequency of twin embryos 4000 seeds were tested for each genotype. Anthers were cultured according to Dumas de Vaulx et al. (1981) method for C. annuum L. For each genotype 500 anthers were cultured on the induction CP medium. The ploidy level of plants and callus tissue was evaluated using flow cytometry. The ployembryonal seeds were observed in all the tested species. The frequency of polyembryony ranged from 0.03% in C. chinense JACQ. to 0.33% in C. frutescens L. Haploid plants appeared in C. frutescens L. and C. baccatum L. var. pendulum. The effectiveness of androgenesis was 1.8% and embryos were observed only for C. frutescens L. Different tendency to haploid induction by the polyembryony and androgenesis was observed for all the tested species. Dr inŝ. Dorota Olszewska Katedra Genetyki i Hodowli Roślin Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J.J. Śniadeckich ul. Kaliskiego BYDGOSZCZ dorota@utp.pl