Получение стабильных эмбриогенных линий у кедрового стланика путем соматического эмбриогенеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Красноярский государственный аграрный университет

получение СТАБИЛЬНЫХ эмбриогенных клеточных линий у кедрового стланика ПУТЕМ СОМАТИЧЕСКОГО ЭМБРИОГЕНЕЗА

Носкова Н.Е., Сиренко А.С., Носкова М.А.

Annotation

For the first time the peculiarities of somatic embryogenesis of Dwarf Siberian Pine (Pinus pumila (Pall.) Regel) were studied. It was cleared up that the megagametophytes containing zygotic embryos in the proembryo stage it is necessary use as explants for the initiation of somatic embryogenesis. During the initiation of somatic embryogenesis the response of the explants amounted to 0.2 %. The optimal conditions for the initiation of somatic embryogenesis and for EM proliferation were revealed.

Основная часть

Кедровый стланик (Pinus pumila (Pall.) Regel) в естественных условиях в России встречается на территории Восточной Сибири и Дальнего Востока, относится к субарктическо-субальпийскому широтному типу древесной растительности умеренного пояса, типичный стланец. На значительной части занимаемого ареала играет роль эдификатора растительного покрова. Заросли стланика имеют важное противоэрозионное, водоохранное, климаторегулирующее значение. Стланик используют в медицине, кондитерском производстве, в пищевой и парфюмерной промышленности. Декоративность и устойчивость к низким температурам обусловило интерес к созданию "альпийских садов" и посадок кедрового стланика в парках северных районов. Учитывая великое значение кедрового стланика, наряду с другими представителями пятихвойных сосен в природе и хозяйстве России, поставлен вопрос о необходимости проведения комплексных исследований вида, охраны его генофонда и использования в селекционных программах (Горошкевич, Попов, 2009). Одним из перспективных современных методов для решения заявленных задач является такой способ вегетативного размножения растений как соматический эмбриогенез. Эмбриогенные клеточные линии, полученные путем соматического эмбриогенеза, представляют собой ценный материал для широкого спектра экспериментальной деятельности фундаментального и прикладного значения.

В настоящей статье приводятся данные по получению клеточных линий у кедрового стланика путем соматического эмбриогенеза

Для клонирования кедрового стланика через соматический эмбриогенез в 2007-2011 гг. проводили опыты по введению в культуру in vitro гаметофитов на стадии развития 4-х - 8-ми клеточного проэмбрио - кливажа до определения лидерного зародыша (ранние стадии эмбриогенеза), а также, изолированных зародышей на стадии развития семядолей. Шишки кедрового стланика с гаметофитами на разных стадиях эмбриогенеза собирали в естественных насаждении в окрестностях п. Новая Чара (отроги Удоканского хребта, юго-восточная экспозиция, 56⁰46^' с.ш. и 118⁰16^' в.д., 807 м над уровнем моря) и в окрестностях оз. Леприндо (56037' северной широты, 117033' восточной долготы, высота 986 метров над уровнем моря) через 1,5-2 недели после пыления и в середине - второй половине августа. Шишки хранили в условиях холодильника.

Для инициации соматического эмбриогенеза использовали жидкие и твердые среды ЅLV (Litvay et al., 1985), mLV₂ (Carneros et al., 2009), DCR, MS (Murashige, Skoog, 1962), МА (неопубликованные данные) с концентрацией регуляторов роста 2-3 мг/л 2,4 D и 0,5-1 мг/л БАП. В среды добавляли 20-30 г/л сахарозы и 100, 200 и 1000 мг/л мезоинозита. Источником органического азота послужили гидролизат казеина (1000 мг/л) и L-глютамин (500 мг/л); в качестве антиоксиданта использовали аскобиновую кислоту (200 мг/л). В качестве затвердителя сред использовали агар (0,7%) или gelrite gellan gum (0.4 %). Значение рН в культуральных средах для инициации соматического эмбриогенеза доводили до 5,8 до автоклавирования и добавления затвердителя среды.

В культуру вводили гаметофиты на разных стадиях развития зародыша. Для этого семена извлекали из шишек, обеззараживали в 80-90 % этанола или в концентрированном растворе магрганцевокислого калия, промывали в водопроводной воде. Из семян извлекали гаметофиты, стерилизовали в 15 % перекиси водорода в течение 20 мин., промывали в дистиллированной воде. В стерильных условиях гаметофиты на ранних стадиях развития зародыша осторожно, чтобы не повредить поверхность, освобождали от остатков нуцеллуса и помещали на культуральные среды. Гаметофиты из зрелых семян вскрывали глазным скальпелем, и изолированные зародыши переносили на поверхности сред. Культивирование проводили в темноте при температуре 23-25⁰ С в условиях термостата. При культивировании суспензионных культур использовали платформенные шейкеры (качалки). Культуры, вышедшие на пролиферацию, отделяли от гаметофитов и помещали на среды для пролиферации. Через каждые 2 недели проводили трансплантацию культур на свежие среды. Для этого в стерильных условиях отделяли небольшие кусочки по периферии эмбрионально-суспензорной массы и размещали их на поверхности свежей среды.

Установлено, что образование морфогенных каллусов и соматических зародышей зависит от условий культивирования, вида экспланта, компетенции генотипа. В культуре изолированных зародышей на стадии развития семядолей на среде с классическим составом регуляторов роста для сосновых (2 мг/л 2,4 D и 0,5 мг/л БАП) на этапе инициации каллусообразования отклик составил 41 %. На пролиферацию вышло около 6 % каллусов (16 % от числа инициировавших), из них 32 % помимо типичных каллусных клеток, содержали, эмбриональные структуры PEMI-PEMIII (PEM- проэмбриональнаямасса). Таким образом, эмбриогенные характеристики имели только 1,9 % пролиферирующих каллусов. Размножение каллусов осуществлялось разделением их на кусочки. При дальнейшем развитии в клетках всех каллусных линий происходило образование вторичных утолщений (в том числе в клетках эмбриональных глобул), что вело к отмиранию либо всей ткани, либо эмбриональных элементов и перерождению каллусов в неэмбриогенные. Только 3 каллусных линии успешно пролиферировали и сохраняли эмбриогенные характеристики в течение некоторого времени (2-6 мес.). Перевод культур на суспензионные среды позволил не только поддерживать жизнеспособность каллусных линий несколько дольше (до 8-10 мес.) и улучшить их эмбриогенные характеристики, но и получить более зрелые зародышевые структуры. Однако, в конечном счете, при продолжительной пролиферации и в суспензионных культурах, и у каллусов, культивируемых на твердых средах, происходило постепенное замещение эмбриональных элементов типичными каллусными клетками. кедровый стланик соматический эмбриогенез

Таким образом, использование изолированных зародышей на стадии развития семядолей в качестве эксплантов для получения соматического эмбриогенеза у кедрового стланика нецелесообразно.

При введении в культуру in vitro гаметофитов кедрового стланика с зародышами на ранних стадиях развития зародыша (проэмбрио) было отмечено, что для получения соматического эмбриогенеза целесообразно использовать шишки, обработанные низкими температурами +4⁰-+6⁰, С (хранение в холодильнике) в течение не менее 2х нед., но не более 4-5 нед. Большинство гаметофитов, не прошедших холодовой обработки на средах для инициации соматического эмбриогенеза увеличивались в размерах, часто разрывались и выворачивались наружу, ткань гаметофитов становилась бугристой и рыхлой. Затем происходило побурение и ослизнение ткани. Образование экструзий и развитие эмбриональной массы в данном случае не происходило. У гаметофитов, прошедших холодовую обработку, через 3-4 суток наблюдалось увеличение размеров эксплантов, диаметра микропилярной камеры, в районе которой уже через 1,5-2 нед. наблюдались экструзии эмбриональной массы (ЭМ) из полости гаметофита. Сама ткань гаметофита постепенно некротировала.

Всего в культуру для инициации соматического эмбриогенеза было введено 927 эксплантов от 35 генотипов кедрового стланика, 62 экструзии эмбриональной массы наблюдались у 19 генотипов (около 6,7% от исходного числа эксплантов). В дальнейшем большинство экструзий деградировали и только в двух случаях экструзии инициировали в эмбрионально-суспензорную массу (ЭСМ) и вышли на пролиферацию. При отделении части экструзий от гаметофитов и переносе их в жидкие среды отклик на обработку был выше и составил 5% (1 клеточная линия на 20 экструзий). Однако сохранить клеточную линию, полученную в суспензионной культуре, не удалось: ее пролиферация через три трансплантации внезапно прекратилась. Таким образом, были получены 2 стабильно пролиферирующие эмбриогенные клеточные линии, что составило 0,2% от исходного числа эксплантов и 2,9% от числа наблюдавшихся экструзий. Все клеточные линии были получены при использовании регуляторов роста в количестве 3 мг/л 2,4D и 1 мг/л БАП. Пролиферация полученных клеточных линий наиболее успешно шла на средах с тем же составом регуляторов роста (коэффициент размножения 5). На средах для пролиферации с добавлением классических для представителей сосновых соотношений концентраций ауксина и цитокинина (2:0,5 мг/л) происходило сильное обводнение и прекращение роста эмбриогенной ткани. При снижении концентрации на единицу только ауксина (2 мг/л 2,4D и 1 мг/л БАП) скорость роста ткани снижалась (коэффициент размножения 3-4).

Полученные эмбриогенные клеточные линии отличались по цитоморфологическим характеристикам: клеточная линия №24 имела характеристики ЭСМ и состояла из суспензоров, несущих соматические зародыши на стадиях от ранней глобулы до определения зоны пресемядольного кольца, клеточная линия №65 состояла из проэмбриональных структур PEM I - PEM III. Попытки подобрать условия и технологические приемы для развития линии №65 из PEM в ЭСМ не имели успеха. Кроме того, отмечены отдельные случаи деградации ЭСМ линии №24 в PEM через 11 мес. культивирования.

При культивировании мегагаметофитов на более поздних стадиях развития образование каллусов или эмбриогенных культур не происходило. В некоторых случаях наблюдалось дозревание и прорастание зародыша из мегагаметофита через микропиле через 3-5 мес.

Таким образом, установлено, что для кедрового стланика наиболее подходящей стадией развития зародыша для получения соматического эмбриогенеза является - стадия 4-х - 8-ми клеточного проэмбрио - начало кливажа. Отклик эксплантов составил 0,2 %. В ходе исследования выявлены оптимальные условия для инициации соматического эмбриогенеза и пролиферации ЭМ. Впервые для кедрового стланика путем соматического эмбриогенеза получены две стабильно пролиферирующие эмбриогенные клеточные линии, изучены их цитоморфологические характеристики.

Литература

1. Litvay J.D., Verma D.C., and Johnson M.A. Influence of loblolly pine (Pinus taeda L.) culture medium and its components on growth and somatic embryogenesis of the wild carrot (Daucus carota L.) // Plant Cell Rep. 4 1985. P. 325-328.

2. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures // Physiol. Plant., 1962. V. 15. N 4. P. 473-497.

3. Carneros E., Celestino C., Klimaszewska K., Park Y.-S., Toribio M. and Bonga J. M. Plant regeneration in Stone pine (Pinus pinea L.) by somatic embryogenesis // Plant Cell, Tissue and Organ Culture Volume 98, Number 2, 2009. 165-178.

4. Горошкевич С.Н., Попов А.Г. Морфоструктура и развитие побегов у 5-хвойных сосен Северной и Восточной Азии: филогенетическая и климатическая интерпретация // Journal of Siberian Federal University. Biology 1 № 2, 2009. C. 54-79.

Размещено на Allbest.ru