Введение к работе
Актуальность темы. Получение морфогенного каллуса и последующая регенерация растений - неотъемлемая часть многих растительных биотехнологий Трудности, зачастую возникающие при прохождении этих этапов, особенно характерны для культуры in vitro клеток, тканей и органов злаков Несмотря на то, что регенерация целого растения из культивируемых каллусных клеток описана для многих представителей этого семейства (пшеницы [Копертех, Бутенко, 1995, Игнатова, 2004, Круглова с соавт, 2005], кукурузы [Сатарова, 2002], риса [Кучеренко, 1993], ячменя [Ryschka et al 1991, Дунаева с соавт, 2000], сорго [Hagio, 2002], овса [Nuutila et al, 2002]), усовершенствование системы культивирования in vitro и повышение выхода растений-регенерантов злаков остаются актуальными
Поскольку у злаков в качестве экспланта для получения in vitro каллусов с высокой регенерационной способностью предпочтительным является использование незрелых зародышей, успех в применении новых биотехнологий во многом связан с изучением эмбриогенеза представителей семейства Роасеае
Отдельная проблема в этой области - выявление цитофизиологических условий формирования морфогенных каллусов зародышевого происхождения, тотипотентные клетки которых в условиях in vitro способны развиваться по различным путям морфогенеза Имеющиеся в литературе данные сводятся, как правило, к сведениям о составе и рН питательной среды, освещенности, температуре, использование которых способствовало формированию морфогенного каллуса [Суханов, Папазяп, 1983, Гапоненко, 1987, 1994, Сайб, Карабаев, 1992, Шаяхметов, 1999, Huang, Wei, 2004, Pellegnneschi et al, 2004, и мн др ] Недостаточно полно изучены стадии развития зародыша, давшего начало морфогенному каллусу Остается открытым вопрос о путях морфогенеза зародышевых каллусов in vitro Недостаточно выявлены и цитофизиологические особенности путей морфогенеза ш vitro, ведущие к формированию фертильных растений-регенерантов в каллусе
В то же время, именно от полноты комплексных знаний об эмбриологических и цитофизиологических особенностях этих процессов во многом зависит эффективность биотехнологий, связанных с массовым получением фертильных растений-регенерантов из каллусов зародышевого происхождения Важно и то, что цитофизиологическое изучение развития незрелых зародышей в строго контролируемых условиях ш vttro способствует решению важнейшей фундаментальной проблемы биологии - морфогенеза Более того, именно зародыш, обладающий всеми потенциями особи [Батыгина, 2000], наиболее перспективен в качестве модельной системы при изучении различных аспектов реализации морфогенетических программ растения
Все эти проблемы особенно необходимо разрабатывать по отношению к яровой мягкой пшенице - основному хлебному злаку
В связи с этим, цель исследований состояла в оптимизации технологии получения растений-регенерантов яровой мягкой пшеницы в каллуснои культуре in vitro на основе эмбриологических и цитофизиологических данных
Для достижения цели были поставлены задачи
Изучить развитие зародыша от зиготы до зрелой структуры на основе данных цито-гистологического анализа
Разработать периодизацию эмбриогенеза, удобную в биотехнологической практике
Разработать критерии оценки стадий эмбриогенеза, сопряженных со способностью зародыша формировать морфогенный каллус
Выявить условия максимальной пролиферации морфогенных каллусов (стадия развития ипокулируемого зародыша, состав культуральной среды)
Исследовать цитофизиологические особенности путей морфогенеза в культуре in vitro каллусов зародышевого происхождения и выявить оптимальные пути получения фертильных растений-регенерантов
Разработать оптимизированный регламент биотехнологии получения фертильных растений-регенерантов в культуре in vitro каллусов зародышевого происхождения
5 Основные положения, выносимые на защиту
1. Способность к формированию морфогенного каллуса определяется
оптимальной стадией развития инокулируемого зародыша,
характеризующегося определенным цито-гистологическим статусом
Зависимость регенерационной способности каллусов от продолжительности культивирования in vitro на индукционной питательной среде обусловлена особенностями прохождения путей морфогенеза, ведущих к формированию растений-регенерантов
Регенерация фертильных растений из каллусов происходит по таким путям морфогенеза in vitro, как гемморизогенез и соматический эмбриогенез (эмбриоидогенез)
Увеличения количества растений-регенерантов можно добиться отбором экспланта с высокой морфофизиологической активностью, а также оптимальной продолжительностью культивирования in vitro морфогенных каллусов
Научная новизна. На основании комплексных эмбриологических и
детальных цитофизиологических исследований установлено, что основным
условием формирования морфогенных каллусов является инокуляция незрелых
зародышей яровой мягкой пшеницы на подстадии три стадии органогенеза
(согласно авторской периодизации), которая характеризуется определенным
цито-гистологическим статусом зародыша Выявлены и исследованы пути
морфогенеза в каллусной культуре in vitro незрелых зародышей яровой мягкой
пшеницы Продемонстрирована универсальность начального этапа всех путей
морфогенеза т vitro, состоящая в формировании в каллусе морфогенетического
очага, представленного главным образом меристематическими клетками
Охарактеризованы цитофизиологические особенности развития
морфогенетического очага по каждому из выявленных путей морфогенеза ш vitro Показано, что регенерация фертильных растений проходит по таким путям морфогенеза in vitro, как гемморизоіенез и соматический эмбриогенез, при этом биотехнологически оптимален соматический эмбриогенез
Практическая значимость работы. Периодизация эмбриогенеза яровой мягкой пшеницы может быть использована для подбора эксплантов с высоким морфогенетическим потенциалом в биотехнологических работах, связанных с массовым получением регенерантов Оптимизированный регламент получения фертильных растений-регенерантов пшеницы в каллусной культуре in vitro может быть использован при клеточной селекции, соматической гибридизации и генно-инженерных экспериментах Результаты исследования могут быть использованы в учебном процессе на биологических факультетах ВУЗов
Связь работы с научными программами. Исследования поддержаны РФФИ (грант 05-04-97911, 2005-2007 гг), а также выполнены в рамках программы «Ведущие научные школы РФ» (грант НШ 4834 2006 4, 2006-2007 гг) и ГНТП Академии наук РБ на 2005-2007 гг
Личный вклад автора состоит в разработке программы исследования, получении и анализе экспериментального материала, описании результатов исследования, формировании выводов
Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены значительным объемом экспериментального материала, обработанного с применением современных математических методов
Реализация результатов. Полученные результаты используются при чтении спецкурса по биотехнологии растений на кафедре биохимии и биотехнологии Башкирского государственного университета
Апробация работы Результаты исследования были представлены на II научной конференции МОГиС «Актуальные проблемы генетики» (Москва, 2003), VIII международной Путинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2004), II (Москва, 2004), III (Москва, 2005) и IV (Пущино, 2006) съездах Общества биотехнологов России, I международной школе молодых ученых «Эмбриология и биотехнология» (Санкт-Петербург, 2005), I (IX) международной конференции молодых ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2006), XIII международной конференции молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006),
7 международной конференции «Генешка в России и мире» (Москва, 2006), X международной Путинской школе-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века» (Путино, 2006), Всероссийском симпозиуме «Бмолопія клетки в кулыуре» (Сапкі-Петербург 2006), международной научно-практической конференции «Молодые ученые - возрождению агропромышленного комплекса России» (Брянск, 2006), XIV международной конференции мо юдых ученых «Ломоносов-2007» (Москва, 2007)
Публикации По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК МОИ РФ
С іруктуря и объем їмсссртаціш Диссеріания изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, заключения и выводов Список литературы включает 203 работы, в том числе 122 работ зарубежных авторов Диссертация иллюстрирована 83 рисунками и 4 таблицами
Объектом исследования послужили 7 сортов н гибридная линия яровой мяікой пшеницы, используемые в селекционно-генетических программах Башкирского НИИ СХ РАСХН Детальные цито-гистологические исследования выполнены на растениях сорта Симбирка
Использованы метод культуры т vi/io незрелых зародышей пшеницы [Суханов, Папазян, 1983, Коперіех, Бутснко, 1995] в модификации [Шаяхметов, 1999], цто-гисюлогнческие метды исследования [Паушева, 1988, Барыкина с соавг, 2004J в модификации [Круглова с еоаві , 2007], меюды фенологических наблюдений за развитием пшеницы [Куперман, 1977] Препараты просматривали с применением светового микроскопа Jenamed-2 (Carl Zeiss, Jena), фотографировал» при помощи цифровой камеры «Canon» с программным управлением (Canon Inc , China) Статистическую обработку полученных результатов ве in е применением программы Microsoft Office Excel 2003, учитывая основные статистические параметры
