СПОСОБ МИКРОКЛОНАЛЬНОГО РАЗМНОЖЕНИЯ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ В КУЛЬТУРЕ IN VITRO ЧЕРЕЗ СОМАТИЧЕСКИЙ ЭМБРИОГЕНЕЗ НА СРЕДЕ АИ ДЛЯ ПЛАНТАЦИОННОГО ЛЕСОВЫРАЩИВАНИЯ
METHOD OF MONOCLONAL PROPAGATION OF SYBERIAN LARCH IN CULTURE IN VITRO VIA SOMATIC EMBRYOGENESIS ON AI MEDIUM FOR PURPOSES OF PLANTATION FORESTRY

Изобретение относится к лесному хозяйству, а именно к созданию сортового плантационного лесовыращивания на основе современных инновационных биотехнологий. Цель исследования - разработка способа микроклонального размножения лиственницы сибирской в культуре in vitro. Практическое применение изобретения выражается в создании лесосоменных плантаций лиственницы сибирской, устойчивых к патогенам, отличающихся быстрым ростом и высокой урожайностью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ микроклонального размножения путем соматического эмбриогенеза ряда видов хвойных, широко используемого за рубежом при реализации программы MVF (Multi Variety Forest) [1]. Эта программа включает массовое размножение улучшенных, генетически паспортизированных хвойных видов через соматический эмбриогенез.
Соматический эмбриогенез имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами клонального размножения - прививками и черенками. Прививки являются дорогостоящими и имеют слабую приживаемость, а микрочеренкование связано с проблемой укоренения, которое у хвойных видов практически отсутствует. Микроклональное размножение через соматический эмбриогенез позволит получить массовое образование de novo растений регенерантов с хорошо развитым стеблем и корнем. Этот эффективный метод регенерации растений позволяет сохранять генетические ресурсы на протяжении длительного периода времени благодаря высокой продуктивности пролиферирующей эмбриональной массы и ее способности подвергаться длительной криоконсервации. С помощью соматического эмбриогенеза можно производить массовое тиражирование высокопродуктивных, устойчивых к патогенам чистых линий и гибридов растений для создания лесосеменных плантаций.
Однако, несмотря на активные исследования зарубежных ученых по соматическому эмбриогенезу, регенерация растений в культуре in vitro этим способом размножения все еще остается проблематичной для большинства видов хвойных. Критическим моментом технологии является слабая отзвывчивость генотипов на выращивание их в культуре in vitro и применение среды, обеспечивающей образование и прорастание соматических зародышей.
Для российский видов хвойных способ получения соматических зародышей до сих пор остается неразработанным, и прежде всего для лиственниц - основных лесообразователей Европы и Сибири. Среды, MS MSG [2-5], применяемые зарубежными учеными для реализации соматического эмбриогенеза у трех видов лиственницы и их гибридов: лиственницы европейской, лиственницы японской и лиственницы западной для лиственницы сибирской не подходят. На средах MS и MSG у лиственницы сибирской идет образование морфогенного каллуса, соматические зародыши иногда образуются, но не вызревают [6].
Эта проблема соматического эмбриогенеза у лиственницы сибирской решается техническим результатом настоящего изобретения. Впервые в мире был разработан способ микроклонального размножения лиственницы сибирской в культуре in vitro через соматический эмбриогенез на вновь созданной базовой питательной среде АИ, не имеющей себе аналога ни в России, ни за рубежом, с применением вновь разработанной уникальной новой технологии соматического эмбриогенеза из зиготических зародышей лиственницы сибирской, устойчивой к лиственничной почковой галлице, а также со строгим учетом сроков взятия образцов.
Осуществление изобретения
Производят отбор деревьев лиственницы сибирской с высокой регенерационной способностью, у непораженных (устойчивых) к лиственничной почковой галлице. Отобранные деревья подвергаются контролируемому опылению для получения чистых линий. Строго учитываются сроки взятия образцов - семена собирают в предсемядольной стадии развития зародыша. Семена поверхностно стерилизуют 5% раствором KJ в течение трех минут, промывают в дистиллированой воде (три раза), мегагаметофиты обрабатывают перекисью водорода, помещают на увлажненную фильтровальную бумагу и переносят на питательную среду АИ.
Питательная базовая среда АИ готовится заранее.
Состав питательных сред, используемых в экспериментах по культуре in vitro у лиственницы
Компоненты среды
Концентрация элемента в среде, мг/л
Макроэлементы:
MS
АИ
MSG
NH<sub>4</sub>NO<sub>3</sub>
1650
-
-
KNO<sub>3</sub>
1900
1060
100
CaCl<sub>2</sub>×2H<sub>2</sub>O
440
-
440
MgSO<sub>4</sub>×7H<sub>2</sub>O
370
570
370
КН<sub>2</sub>РO<sub>4</sub>
170
150
170
(NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
-
450
-
КСl
-
-
740
CaCl<sub>2</sub>
-
158
-
Микроэлементы:
Kl
0,83
1,2
0,83
Н<sub>3</sub>ВО<sub>3</sub>
0,62
8,69
0,62
MnSO<sub>4</sub>×4H<sub>2</sub>O
22,3
-
22,3
ZnSO<sub>4</sub>×7H<sub>2</sub>O
8,6
13,05
8,6
Na<sub>2</sub>MoO<sub>4</sub>×2H<sub>2</sub>O
0,25
0,375
0,25
CuSO<sub>4</sub>×6H<sub>2</sub>O
0,025
0,160
0,025
CoCb×6H<sub>2</sub>O
0,025
0,0515
0,025
MnSO<sub>4</sub>×H<sub>2</sub>O
-
13,60
-
Железо:
FeSO<sub>4</sub>×7H<sub>2</sub>O
27,8
27,8
27,8
Na<sub>2</sub>×ЭДТА
37,3
37,3
37,3
Витамины и органические вещества:
Мезоинозит
100
1000
100
Тиамин
0,1
1
0,1
Глицин
2,0
-
-
Пиридоксин
0,5
0,5
0,5
Никотиновая кислота
0,5
0,5
0,5
Глутамин
500
500
500
Гидролизат казеин
1000
1000
1000
Аскорбиновая кислота
-
400
-
рН
5,8
5.8
5,8
ТЕХНОЛОГИЯ СОМАТИЧЕСКОГО ЭМБРИОГЕНЕЗА ИЗ ЗИГОТИЧЕСКИХ ЗАРОДЫШЕЙ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ
Технологию соматического эмбриогенеза осуществляют на основе заявленной среды АИ.
Первый этап - инициация эмбриогенного каллуса
Экспланты помещают на питательную среду АИ, дополненную мезоинозитом - 1 г/л, 2,4-Д - 2 мг/л, 6-БАП - 1,0 мг/л, сахарозой - 30 г/л, агаром - 7 г/л. Экспланты выдерживают в темноте, при Т=25°С, продолжительность культивирования 4-6 недель.
Второй этап - пролиферация эмбриогенного каллуса
Образовавшиеся каллусы переносят на базовую питательную среду АИ, дополненную мезоинозитом - 1 г /л, 2.4-Д - 2 мг/л, 6-БАП - 0,5 мг/л, сахарозой - 20 г/л. Уменьшают содержание гидролизата казеина до 500 мг/л. Gellan gum составляет 4 г/л. Каллусы выдерживают в темноте, при Т=25°С,продолжительность культивирования 2 мес.-2 года; пересадка каждые 14 дней.
Третий этап - предвызревание соматических звродышей
Эмбриогенные каллусы помещают в жидкую питательную среду АИ, дополненную, мезоинозитом -1 г /л, сахарозой - 30 г/л. Образовавшиеся каллусы подвергают встряхиванию на круговой качалке в течение 3-6 дней при низкой световой интенсивности (20 mmol m-2 s-1), при Т=25°С.
Четвертый этап - созревание соматических зародышей
Эмбриогенный каллусы с соматическими зародышами переносят на базовую питательную среду АИ, дополненную мезоинозитом - 1 г /л, АБК-32 мг/л, ИМК - 0,2 мг/л, сахарозой - 40 г/л, Gellan gum - 4 г/л. Образцы выдерживают в темноте, при Т=25°С, 4 недели. Регуляторы роста стерилизуют фильтрованием и добавляют в питательую среду.
Пятый этап - прорастание соматических зародышей
Прорастание соматических зародышей лиственницы сибирской проводят на базовой питательной среде АИ, в которой в 2 раза было снижена концентрация микромакроэлементов и железа, а также исключены источники органического азота и витаминов. Gellan gum составляет 4 г/л. Прорастание идет при низкой световой интенсивности (20 mmol m -2 з-1)при Т=25°С в течение 5-6 недель до появления эпикотиля.
Шестой этап - рост растений регенерантов лиственницы сибирской в почве
Соматические зародыши длиной 1.5 мм помещают в экопочву:
песок/торф)/вермикулит: 1/1/1+0,1% р-р N:P:K=20/20/20.
Седьмой этап - рост регенерантов лиственницы сибирской в условиях теплицы
Технический результат изобретения обеспечивают масштабированием процесса получения соматических зародышей, что выражается в создании длительно пролиферирующей эмбриональной массы (3 года и более), способной подвергаться криоконсервации. Вес эмбриональной массы (ЭМ) от одного экспланта на пролиферационной среде АИ в течение одного месяца составит 22,7+0.62 г. Число соматических зародышей в 100 мг ЭМ колеблется от 210 до 390 штук (в среднем 300). За год эта масса составит 2270 г. Следовательно, за год можно получить 681000 штук соматических зародышей, за два года число зародышей удвоится. За три года утроится и т.д. Полученные соматические сеянцы отличаются быстрым ростом; они в 3 раза превышают размеры обычных сеянцев. За период вегетации (три месяца) соматические сеянцы дают 2-3 прироста: высота их составляет 14.1±0.7 см против 2 см (контроль).
Источники информации
1. Park Y-S. Implementation in conifers somatic embryogenesis in clonal forestry: technical requirement and development considerations // Ann. For. Sci. - 2002. - V.59. - P.651-656.
2. Lelu M., Bastien.C., Kilmaszewska К, Ward C., Charest J.. An improved method for somatic plantlet production in hybrid larch (Larix × leptoeuropaea). Part 1 Somatic embryo maturation//Plant CellTissue and Organ Culture. - 1994. - Vol.36. - P.107-115.
3. Lelu M., Bastien C., Kilmaszewska K., Ward C., Charest.L.Plantlet production in hybrid larch (Larix × leptoeuropaea). Part 2 Control of germination and plantlet development //Plant Cell,Tissue and Organ Culture. - 1994. - Vol.36. - P-117-127'.
4. Becwar M., Nagmani R., Wann.S. Initiation of embryogenic cultures and somatic embryo development in loblolly pine (Pinus taeda) // Can..1. For. Res. - 1990. - V.20. - P.810-817.
5. Murashige Т., Skoog F.A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures // Physiol. Plant. - 1962. - V.15. - №4. - P.473-497.
6. Белоруссова А.С., Третьякова И.Н. Особенности формирования соматических зародышей у лиственницы сибирской Larix sibirica Ledeb), Эмбриологические аспекты - 2008. - Том.39. №2. - С.1-10.