Использование клеточной биотехнологии для создания нового исходного материала сахарной свёклы

УДК 633.63:581.143.6

Использование клеточной биотехнологии для создания нового исходного материала сахарной свёклы

E.H. ВАСИЛЬЧЕНКО, ст. научн. сотрудник

Е.О. КОЛЕСНИКОВА, ст. научн.сотрудник, канд. биолог. наук

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свёклы и сахара им. А.Л. Мазлумова»

Введение

Клеточная биотехнология растений базируется в основном на использовании культуры клеток и тканей. Для манипулирования клетками необходимо создавать условия, при которых они могли бы жить и размножаться вне растительного организма. Приёмы культивирования изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах в условиях in vitro приобрели особое значение в связи с возможностью использования в биотехнологии. За последние два десятилетия биотехнология значительно расширила свои границы вследствие развития и совершенствования методов культивирования растительных объектов в стерильных условиях и углубления знаний о генетических процессах, происходящих на уровне клеток и тканей. Благодаря свойству тотипотентности структурно-функциональных элементарных единиц строения растений открылась возможность манипулирования ими вне организма в условиях in vitro. На этой основе появились предпосылки для разработки принципиально новых подходов получения исходного селекционного материала, а затем и современных технологий, направленных на решение теоретических и практических задач селекции. Из них важнейшие на сегодняшний день — создание новых

генетических источников сельскохозяйственных культур для улучшения их генофонда, ускорение отдельных этапов селекционного процесса и, как следствие, увеличение его эффективности.

Сахарная свёкла (Beta vulgaris L.) — одна из главных технических культур в Российской Федерации. Основное предназначение этого растения c высоким содержанием сахарозы — получение сахара путём промышленной переработки — обусловливает экономическую ценность данной культуры, а следовательно, и необходимость воспроизведения и сохранения материалов ценных для селекции и производства новых модифицированных форм (выведение свободных от вирусов и других патогенов сортов, производство растений, устойчивых к различным болезням, и т. п.) [1].

Цель исследований

В связи с вышеизложенным целью настоящих исследований явилось создание нового исходного материала сахарной свёклы с использованием методов клеточной биотехнологии in vitro.

Материалы

и методы исследований

В работе были использованы селекционные материалы лаборатории ЦМС ФГБНУ «ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова». Объектами

исследований выступали неопло-дотворённые семязачатки, незрелые зародыши, листовые черешки и растения-регенеранты сахарной свёклы (Beta vulgaris L.), культивируемые в условиях in vitro. Массовое вегетативное размножение проводили путём культивирования меристематических тканей. Генетическую трансформацию растений осуществляли посредством кокультивирования эксплантов сахарной свёклы с Agrobacterium tumefaciens. Для индуцирования генетической изменчивости использовали химический мутаген этилметансульфонат (ЭМС).

Результаты исследований

и их обсуждение

Областью работ, где широко используются приёмы культуры in vitro, является создание линейного материала из гибридных популяций на основе гомозиготации селекционного генетического материала посредством получения гаплоидов и удвоенных гаплоидов с частотой, намного превышающей естественный уровень. Эти технологии занимают сегодня одно из ведущих мест по востребованности в практической селекции в мире. Продемонстрированы возможности сокращения сроков создания сортов и гибридов различных сельскохозяйственных культур, в том числе сахарной свёклы. Нами были подобраны

оптимальные условия in vitro для процесса получения удвоенных гаплоидов и на основе культуры неоплодотворённых семязачатков созданы DH-линии Beta vulgaris L. c высокой гомозигот-ностью, имеющие перспективу использования в качестве компонентов отечественных гибридов с комплексом хозяйственно полезных признаков [2].

Примером результативности в практическом отношении является метод клонального микроразмножения на основе культивирования in vitro меристемных эксплантов. Этот подход считается особенно эффективным для ускоренного получения оздоровлённого потомства у размножаемых культур, улучшения генотипов, создания и сохранения уникального генофонда при экономии площадей под коллекциями и снижении затрат труда в целях его поддержания [3]. В результате разработанная нами технология массового микроразмножения в течение трёх лет позволила получить необходимое количество семян компонентов высокопродуктивного гибрида с улучшенными биологическими признаками, обеспечивающими высокую продуктивность.

Важнейшим методом обогащения генофонда культурных растений является межвидовая гибридизация, используемая для обогащения генетической основы устойчивости. Данный тип скрещиваний с применением различных способов преодоления барьеров между видами, посредством чего идёт передача ценных признаков от диких особей к культурным, широко применяется в современной селекции растений. Использование эмбриокультуры в качестве оптимальной технологии при создании у растений межвидовых гибридов и интрогрес-сивных форм вносит свой вклад в улучшение генотипов сахарной

свёклы. Это позволяет расширить спектр генетической изменчивости, а также даёт возможность получения адаптивных форм с хозяйственно ценными признаками [4]. В результате проведённых экспериментов нами был выделен и отобран межвидовой гибридный материал с морфологическими и функциональными изменениями генома, который можно использовать в качестве исходных форм в процессе селекционной работы.

В настоящее время открывается реальная перспектива создания новых форм и сортов методами генной инженерии. На этой основе начато решение задач получения сахарной свёклы с повышенной сахаристостью, устойчивостью к свекловичной нематоде, вирусным инфекциям, насекомым-вредителям и гербицидам [5]. Большое будущее ожидают от биотехнологий, связанных с соматической гибридизацией и трансгенозом, которые в перспективе предоставят возможность создавать уникальные генные и геномные комбинации, а также позволят конструировать на этой основе новые типы растений, которые невозможно получить традиционным путём. В результате биотехнологических и молекулярно-генетических исследований нами разработан метод генетической трансформации сахарной свёклы с генами ш[2 и т/3 в штамме А^тЬа^епыт Ште/аает и созданы трансгенные растения сахарной свёклы с устойчивостью к фитопатогенам. Данные растения могут найти широкое применение в качестве нового исходного материала при селекции на устойчивость к болезням.

Наряду с известными методами улучшения различных форм сахарной свёклы путём прямого отбора и гибридизации интерес представляет создание новых исходных материалов с помощью метода экспериментального мутагенеза. С появлением высоко-

активных химических мутагенов стало возможным получение мутантов сахарной свёклы с изменённым типом цитоплазмы [6], устойчивых к кагатной гнили [7], раздельноплодных [8], высокосахаристых и нецветушных форм [9]. Мутационная селекция не изменяет традиционных схем отбора и селекции сахарной свёклы. В результате индуцированного мутагенеза в культуре in vitro и мо-лекулярно-генетического анализа с использованием SSR-маркеров нами были выделены растения-регенеранты с изменениями в ну-клеотидной последовательности генома сахарной свёклы, вызванными воздействием мутагена ЭМС. Данный приём позволяет в два-три раза увеличивать частоту встречаемости форм с комплексом хозяйственно ценных признаков, чем обеспечивает ускоренное получение нового исходного материала и создание на его базе гибридов сахарной свёклы.

Заключение

Вышеперечисленные приёмы на основе клеточной биотехнологии позволяют решать задачи, которые традиционными методами выполнить невозможно или чрезвычайно трудно. Технологии культуры in vitro позволяют достичь высокого уровня мультипликации растительного материала Beta vulgaris L., оздоровить, освобождая от вирусных, бактериальных и грибковых заболеваний, продолжительно хранить растительный материал в асептических условиях, быстрее по сравнению с традиционными способами селекции создавать новые перспективные формы для использования при получении перспективных отечественных гибридов.

Список литературы

1. Kolodyaznaya, Y.S. Productio of Regenerants in Sugar Beet / Y.S. Kolodyaznaya, E.V. Deineko //

№ 8 • 2019 САХАР 31

Russion Journal of Developmental Biology // 2002. - Vol. 33. - No. 3. -РР. 136-141.

2. Технология создания реституционных линий сахарной свёклы / Е.Н. Васильченко, Т.П. Жужжа-лова, Т.Г. Ващенко, Е.О. Колесникова // Вестник ВГАУ. - Вып. 1 (56). - 2018. - С. 42-50.

3. Жужжалова, Т.П. Инновационный приём микроклонирования in vitro сахарной свёклы в селекционном процессе / Т.П. Жужжалова [и др.] // Сахарная свёкла. - 2017. -№ 4. - С. 12-18.

4. Бунин, М.С. Межвидовая гибридизация в роде Capsicum L. и её использование в селекции. Методика / М.С. Бунин [и др.]. - М., 2008. - 82 с.

5. Захарченко, Н.С. Техника генетической трансформации различных сортов сахарной свёклы / Н.С. Захарченко, М.А. Каляева, Я.И. Бурьянов // Физиология растений. -Т. 47. - 2000. - № 1. - С. 79-85.

6. Киношта, Т. Индуцирование химическими мутагенами цито-

плазматической мужской стерильности у сахарной свёклы / Т. Киношта, М. Такахаши, Т. Миками // Seiken ziho. - 1979. - № 28. -С. 66-71.

7. Жигайло, М.И. Повышение устойчивости сахарной свёклы к кагатной гнили / М.И. Жигайло // Сахарная промышленность. -1972. - № 5. - С. 47-50.

8. Гол ев, И.Ф. Получение односемянной свёклы методом радиомутагенеза // Использование биофизических методов в генетико-селекционном эксперименте. -Кишинёв : Штиинца, 1977. - С. 16.

9. Корниенко, А.В. Основы мутационной селекции свёклы / А.В. Корниенко. - М. : Агропро-миздат, 1990. - 208 с.

Аннотация. В статье представлены приоритетные методы клеточной биотехнологии, которые можно использовать при создании и размножении нового исходного материала сахарной свёклы. Разработка и внедрение технологий на основе культивирования изолированных клеток и тканей в селекционный процесс Beta vulgaris L. будет способствовать получению новых форм, которые станут основой создания конкурентоспособных гибридов сахарной свёклы с комплексом желаемых полезных признаков. Ключевые слова: сахарная свёкла, микроклональное размножение, гибриды, трансгеноз, мутационная селекция, гаплоиды.

Summary. In the article, priority methods of cell biotechnology that can be used when developing and propagating a new sugar beet starting material are presented. Development and introduction of the technologies based on cultivation of isolated cells and tissues into breeding process will promote obtaining of new forms that become a basis for production of competitive sugar beet hybrids with the complex of desired useful traits.

Keywords: sugar beet, microclonal propagation, hybrids, transgenosis, mutation breeding, haploids.