القای جنین های پارتنوژنز و تولید گیاهان هاپلوئید خیار (.Cucumis sativus L)

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد

2 عضو هیئت علمی

3 رییس بخش تحقیقات کشت بافت و سلول- پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی

4 معاون پژوهشی پژوهشکده کشاورزی هسته ای

چکیده

سابقه و هدف: گیاهان هاپلوئید به گیاهانی اطلاق می‌شود که تعداد کروموزوم‌های آنها در مرحله اسپروفیتی (n2) برابر با مرحله گامتوفیتی (n) باشد. هدف اصلی از تولید گیاهان هاپلوئید رسیدن به لاین‌های دابل‌هاپلوئید مطلوب جهت پیشبرد برنامه‌های اصلاحی می‌باشد. با استفاده از ارقام هیبرید F1 حاصل از تلاقی لاین‌های خالص با صفات مطلوب، بهره‌وری محصول را تا حد زیادی می‌توان افزایش داد. بنابراین لاین‌های خالص در برنامه‌های اصلاحی و تحقیقات ژنتیکی بسیار ارزشمند هستند. تولید لاین‌های خالص در روش‌های کلاسیک و با استفاده از خودگشنی نیازمند زمان و هزینه بسیار زیادی می‌باشد و به هیچ وجه امکان ندارد که این لاین‌ها صددرصد خالص باشند. لذا روش‌های پیشرفته و جدید جایگزین کارآمدتر و پایدارتر از روش‌های سنتی هستند. پرتوتابی دانه‌گرده عمده‌ترین روش مورد استفاده برای القای بکرزایی در گیاهان خانواده کدوئیان است. بر اساس آزمایشات قبلی، محققان بر سر برتری دزهای 300 و 500 گری پرتو گاما اختلاف نظر دارند. با این وجود در هیچ پژوهش جامع منتشر شده‌ای این دو دز پرتو بطور همزمان با هم مقایسه نشده‌اند. لذا این تحقیق با هدف بررسی امکان القای جنین‌های هاپلوئید در ارقام مختلف خیار از طریق گرده‌افشانی با دانه‌های گرده پرتوتابی شده توسط دزهای 300 و 500 گری پرتو گاما و تعیین مناسبترین دز پرتوتابی جهت تولید گیاهان هاپلوئید در ژنوتیپ‌های مختلف خیار انجام گرفت.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه اثر دزهای مختلف پرتوتابی و ژنوتیپ گیاهان مادری بر تشکیل میوه، تولید دانه، القای جنین‌های پارتنوژنز پس از گرده‌افشانی با گرده‌های پرتوتابی شده و تولید گیاهان هاپلوئید مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش به صورت فاکتوریل (دز پرتو گاما و ژنوتیپ گیاه) بر پایه طرح کاملاً تصادفی با 6 تکرار اجرا گردید. هفت ژنوتیپ مختلف خیار شامل ارقام نگین، اکسترم، کریم و سوپر دامینوس (F1)، بیت آلفا (OP)، باسمنج تبریز و دستجرد اصفهان توسط گرده‌های پرتوتابی شده با دزهای 300 و 500 گری پرتو گاما گرده‌افشانی شدند. رنگ‌آمیزی دانه‌گرده و رفتار لوله‌گرده یک روز بعد از پرتوتابی مورد بررسی قرار گرفت. دانه‌های استخراج شده از میوه‌ها از طریق کشت جنین در شرایط آزمایشگاهی نجات داده شدند و سطح پلوئیدی گیاهچه‌های بدست آمده توسط دستگاه فلوسایتومتری تعیین شد.
یافته‌ها: اثر دز پرتو گاما، ژنوتیپ و همچنین برهمکنش دز و ژنوتیپ بر تعداد دانه معنی‌دار بود. بیشترین میزان جنین پارتنوژنیک از پرتوتابی ژنوتیپ‌ اکسترم با دز 300 گری (25/2) و ژنوتیپ کریم (75/1) با دز 500 گری مشاهده گردید. از ژنوتیپ‌های نگین، اکسترم و آلفا بیت گرده‌افشانی شده با گرده‌های پرتوتابی شده توسط دز 500 گری هیچ جنین و هیچ گیاهی بدست نیامد. دزهای پرتوتابی بکار رفته اثر معنی‌داری بر روی تولید گیاه هاپلوئید نداشتند اما ژنوتیپ و خصوصاً برهمکنش دز و ژنوتیپ تاثیر معنی‌داری بر تولید گیاهان هاپلوئید خیار داشت. گرده‌افشانی ژنوتیپ اکسترم با گرده‌های پرتوتابی شده توسط دز 300 گری سبب تولید بیشترین گیاه هاپلوئید (25/1 در هر میوه) در این آزمایش شد.
نتیجه‌گیری: در این پژوهش همانند پژوهش‌های قبل تولید گیاهان هاپلوئید خیار با استفاده از گرده‌های پرتوتابی شده بعنوان روشی کارآمد و مفید در جهت تولید لاین‌های اینبرد تایید شد. بر اساس نتایج بدست آمده در این تحقیق ژنوتیپ‌های مختلف پاسخ-های متفاوتی را نسبت به دزهای مختلف پرتوتابی نشان می‌دهند و با تعیین شدت تابش مناسب پرتو گاما در هر ژنوتیپ می-توان جنین‌زایی پارتنوژنیک را القا نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Induction of parthenogenetic haploid embryos and production of haploid plants in cucumber (Cucumis sativus L.)

نویسندگان [English]

  • Mehran E. shariatpanahi 3
  • S.Sanaz Ramezanpour 2
3 ABRII
چکیده [English]

Background and objectives: Chromosomes number of haploid plants at the sporophyte (2n) stage is equal to the chromosomes number of the gametophyte (n) stage. The objective of haploid plant production is to obtain doubled haploid (DH) lines universally suited to breeding programs. Crop productivity can be greatly improved by using F1 hybrids, which are made by crossing pure lines with some important traits. These pure lines are very valuable in breeding programs and genetic researches. Production of pure lines in a conventional breeding program via self-fertilization takes a long time and requires high costs, but still may not be 100% homozygous. Alternative biotechnological approaches are by far more efficient and sustainable than traditional methods. The most common and best-known method of obtaining haploid cucurbit plants is via pollination with irradiated pollen, which induces parthenogenetic development of haploid embryos in plants. According to the previous reports, there has not been consensus for superiority of gamma ray doses between 300 and 500 Gy; however these two doses have not been simultaneously compared in any research study published so far. The aim of this study was to investigate the possibility of haploid embryos induction in different cucumber cultivars through pollination with gamma-irradiated pollen and determine the optimal dose of irradiation for cucumber haploid plants production.
Materials and methods: This research study was performed in a factorial experiment with two factors (gamma irradiation dose and plant genotype) based on a completely randomized design (CRD) with 6 replications. In this study the effects of irradiation doses and maternal genotypes on fruit set, seed production, parthenogenetic embryo induction were investigated after pollination by irradiated pollen and production of haploid plants in cucumber. Seven cucumber (Cucumis sativus L.) genotypes including, Extreme F1, Negin F1, Karim F1, Super Dominus F1, Beith Alpha OP, Basmenj and Dasgerdi were pollinated with gamma-rays irradiated pollen grains at doses including 300 and 500 Gy. The pollen viability and pollen tube behavior after irradiation were evaluated. The seeds extracted from the fruits were rescued by in vitro embryo culture, and the ploidy level of the plantlets obtained was determined by flow cytometry.
Results: The impact of different doses of gamma irradiation, genotype, and interaction of dose and genotype on total number of seeds produced were significant. The highest number of parthenogenic embryo were observed in genotype Extreme irradiated with dose of 300 Gy (2.25) and genotype Karim irradiated with dose of 500 Gy (1.75). No embryo and plant was obtained in genotypes Negin, Extreme and Beith Alpha irradiated with the dose of 500 Gy. The difference of various doses of irradiation on production of haploid plants was not significant, but genotype and especially interaction effect of dose and genotype were significant on production of haploid plants. Pollination of genotype Extreme by 300 Gy – irradiated pollen grains gave rise to the highest number of haploids (1.25Hs/fruit) produced in this experiment.
Conclusion: In this research study similar to previous studies, it was confirmed that production of haploid plants using irradiated pollen grains is an efficient method for producing haploid inbred lines in cucumber. According to our results, different genotypes exhibited different responses to various doses applied and parthenogenic embryogenesis can be induced when optimal dose of irradiation was applied in each genotype.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Irradiation
  • Parthenogenesis
  • Embryo rescue
  • haploid
  • Cucumber

1.Baktemur, G., Yucel, N.K., Taskın, H.,
Comlekcioglu, S. and Buyukalaca, S.
2014. Effects of different genotypes and
gamma ray doses on haploidization using
irradiated pollen technique in squash.
Turk. J. Biol. 38: 3. 318-327.
2.Brewbaker, J.L. and Emery, G.C. 1962.
Pollen radiobotany. Radiat. Bot. 1: 101-154.
3.Caglar, G. and Abak, K. 1999. Progress in
the production of haploid embryos, plants
and doubled haploids in cucumber (Cucumis
sativus L.) by gamma irradiated pollen, in
Turkey. Acta. Hortic. 492: 317-320.
4.Cheng, J., Wang, Z., Yao, F., Gao,
L., Ma, S., Sui, X. and Zhang, Z.
2015. Down-regulating CsHT1, a
cucumber pollen-specific hexose transporter,
inhibits pollen germination, tube growth
and seed development. Plant Physiol.
168: 2. 635-647.
5.Claveria, E., Garcia-Mas, J. and DolcetSanjuan. R. 2005. Optimization of
cucumber doubled haploid line
production using in vitro rescue of in vivo
induced parthenogenic embryos. J. Am.
Soc. Hortic. Sci. 130: 4. 555-560.
6.Cuny, F. 1992. Processus d’induction
d’embryons haploides par du pollen
irradie´ chez le melon (Cucumis melo L.)
responses du pollen a` l’irradiation
gamma. The`se de Docteur, Universite´
d’Avignon et des Pays de Vaucluse,
Avignon.
7.Delaat, A.M.M., Gohde, W. and
Vogelzakg, M.J.D.C. 1987. Determination
of ploidy of single plants and plant
populations by flow cytometry. Plant
Breed. 99: 4. 303-307.
8.Dolezel, J., Greilhuber, J. and Suda, J.
2007. Flow cytometry with plants: an
overview. In: Dolezel, J., Greilhuber, J.,
Suda, J. (eds) Flow cytometry with plant
cells. Analysis of genes, chromosomes and
genomes. Wiley, Weinheim. Pp: 41-65.
9.Dong, Y.Q., Zhao, W.X., Li, X.H.,
Liu, X.C., Gao, N.N., Huang, J.H.,
Wang, W.Y., Xu, X.L. and Tang, Z.H.
2016. Androgenesis, gynogenesis and
parthenogenesis haploids in cucurbit
species. Plant Cell Rep. 35: 10. 1991-2019.
10.Du, S.L., Wei, H.J., Wei, A.M., Ma,
D.H. and Huo, Z.R. 1999. Haploid
plantlet regeneration of cucumber by
pollination with irradiated pollens. Sci.
Agric. Sin. 32: 2. 107.
11.Ebrahimzadeh, H., Lotfi, M., Azizinia,
S. and Ghanavati, F. 2013a. Production
of haploids in Cucurbita pepo L.
through parthenogenesis induced by
Gamma-irradiated pollen. Crop Biotech.
3: 99-108. (In Persian)
12.Ebrahimzadeh, H., Lotfi, M. and
Azizinia, S. 2013b. Haploid induction
in medicinal pumpkin using gamma
irradiated pollen technique. 2nd National
Congress on Medicinal Plants. Shahid
Beheshti University International
Conference Center, Tehran, Iran. 15-16
May. (In Persian)
13.Ebrahimzadeh, H., Mirzabe, A.H., Lotfi,
M. and Azizinia, S. 2013c. Gamma
irradiation effects on physical properties
of squash seeds. CIGR J. 15: 131-138.
14.FAO. 2016. FAOSTAT. Food and
agricultural commodities production.
Available at http://www.fao.org/faostat/
en/#data/QC/visualize.
15.Faris, N.M., Nikolova, V. and
Niemirowicz-Szczytt, K. 1999. The
effect of gamma irradiation dose on
cucumber (Cucumis sativus L.) haploid
embryo production. Acta Physiol. Plant.
21: 4. 391-396.
16.Gałazka, J. and Niemirowicz-Szczytt, K.
2013. Review of research on haploid
production in cucumber and other
cucurbits. Folia Hortic. 25: 1. 67-78.
17.Germana, M.A. 2006. Doubled haploid
production in fruit crops. Plant Cell Tiss
Organ Cult. 86: 131-146.
18.Gonzalo, M.J., Claveria, E., Monforte,
A.J. and Dolcet-Sanjuan, R. 2011.
Parthenogenic haploids in melon:
generation and molecular characterization
of a doubled haploid line population.
J. Am. Soc. Hortic. Sci. 136: 2. 145-154.
19.Grewal, R.K., Lulsdorf, M., Croser, J.,
Ochatt, S., Vandenberg, A. and
Warkentin, T.D. 2009. Doubled-haploid
production in chickpea (Cicer arietinum
L.): role of stress treatments. Plant Cell
Rep. 28: 1289-1299.
20.Jain, S.M., Sopory, S.K. and Veilleux,
R.E. 1996. In vitro haploid production in
higher plants. Kluwer, Dordrecht.
21.Kasha, K.J. and Kao, K.N. 1970.
High frequency haploid production in
barley (Hordeum vulgare L.). Nature.
225: 874-876.
22.Kurtar, E.S. and Balkaya, A. 2010.
Production of in vitro haploid plants from
in situ induced haploid embryos in winter
squash (Cucurbita maxima Duchesne ex
Lam.) via irradiated pollen. Plant Cell
Tissue Organ Cult. 102: 267-277.
23.Kurtar, E.S., Balkaya, A. and Kandemir,
D. 2016. Evaluation of haploidization
efficiency in winter squash (Cucurbita
maxima Duch.) and pumpkin (Cucurbita
moschata Duch.) through another culture
Plant Cell Tiss. Organ Cult. 127: 497.
doi:10.1007/s11240-016-1074-6.
24.Kurtar, E.S., Sari, N. and Abak, K.
2002. Obtention of haploid embryos
and plants through irradiated pollen
technique in squash (Cucurbita pepo
L.). Euphytica. 127: 335-344.
25.Laurie, D.A. and Bennett, M.D. 1988.
The production of haploid wheat plants
from wheat × maize crosses. Theor.
Appl. Genet. 76: 393-397.
26.Lei, C., Chen, J.F., Qian, C.T., Zhang,
X.Q. and Zhang, Y.B. 2006. Studies
on induction of haploid cucumbers
by irradiated pollen pollination and
their characterization. Sci. Agric. Sin.
39: 7. 1428-1436.
27.Lotfi, M., Alan, A.R., Henning, M.J., Jahn,
M.M. and Earle, E.D. 2003. Production of
haploid and double haploid plants of
melon (Cucumis melo L.) for use in
breeding for multiple virus resistance.
Plant Cell Rep. 21: 11. 1121-1128.
28.Lotfi, M., Kashi, A. and Onsinejad, R.
1999. Induction of parthenogenetic
embryos by irradiated pollen in
cucumber. Acta Hortic. 492: 323-328.
29.Lotfi, M. and Salehi, S. 2008. Detection
of cucumber parthenogenic haploid
embryos by floating the immature seeds
in liquid medium. Proceedings of the
IXth EUCARPIA meeting on genetics
and breeding of Cucurbitaceae (Pitrat M,
ed), INRA, Avignon, France.
30.Murashige, T. and Skoog, F. 1962. A
revised medium for rapid growth and
bioassays with tobacco tissue cultures.
Physiol. Plant. 15: 3. 473-497.
31.Niemirowicz-Szczytt, K., Faris, N.M.,
Nikolova, V., Rakoczy-Troja Nowska,
M. and Malepszy, S. 1995. Optimization
of cucumber (Cucumis sativus L.)
haploid production and doubling. In:
Lester (ed) Proceeding of Cucurbitaceae
’94, Pp: 169-171.
32.Ochatt, S., Patat-Ochatt, E.M. and
Moessner, A. 2011. Ploidy level
determination within the context of in
vitro breeding. Plant Cell Tiss. Organ
Cult. 104: 329-341.
33.Peixe, A., Campos, M.D., Cavaleiro, C.,
Barroso, J. and Pais, M.S. 2000.
Gamma-irradiated pollen induces the
formation of 2n endosperm and
abnormal embyo development in
European plum (Prunus domestica L.,
cv.Rainha Claudia Verde). Sci. Hortic.
86: 267-278.
34.Przyborowski, J.A. and NiemirowiczSzczytt, K. 1994. Main factors affecting
cucumber (Cucumis sativus L.) haploid
embryo development and haploid plant
characteristics. Plant Breed. 112: 70-75.
35.Röber, F.K., Gordillo, G.A. and Geiger,
H.H. 2005. In vivo haploid induction in
maize – Performance of new inducers and
significance of doubled haploid line in
hybrid breeding. Maydica. 50: 275-284.
36.Sauton, A. 1988. Effect of season
and genotype on gynogenetic haploid
production in muskemlon, Cucumis
melo L. Sci. Hortic. 35: 88. 71-75.
37.Sauton, A. 1989. Haploid gynogenesis in
Cucumis sativus induced by irradiated
pollen. Cucurbit Gen. Coop. 12: 22-23.
38.Sauton, A. and Dumas de Vaulx, R.
1987. Production of haploid plants in
melon (Cucumis melo L.) as a result
of gynogenesis induced by irradiated
pollen. Agronomie. 7: 2. 141-147.
39.Sestili, S. and Ficcadeni, N. 1996.
Irradiated pollen for haploid production.
In: Mohan Jain, S., Sopory, S.K.,
Veilleux, R.E. (eds) In vitro Haploid
Production in Higher Plants, Vol 1,
Kluwer Academic Publishers, Dordrecht,
Pp: 263-274.
40.Shariatpanahi, M.E., Bal, U., Heberle-Bors,
E. and Touraev, A. 2006. Stresses applied
for the re-programming of plant microspores
towards in vitro embryogenesis. Physiol.
Plant. 127: 519-534.
41.Shridhar. 1992. Pollen grains of
cultivated Cucurbits. In: Proceedings of
the 5th Eucarpia Cucurbitaceae Symp,
July 27-31, Warsaw, Poland. Pp: 28-33.
42.Smiech, M., Sztangret-Wisniewska, J.,
Galecka, T., Korzeniewska, A., Marzec,
L., Kolakowska, G., Piskurewicz, U. and
Niemirowicz-Szczytt, K. 2008. Potential
use of RAPD markers in characteristics
of cucumber (Cucumis sativus L.)
haploids and double-haploids. Acta Soc.
Bot. Pol. 77: 1. 29-34.
43.Touraev, A., Pfosser, M. and HeberleBors, E. 2001. The microspore: a
haploid multipurpose cell. Adv. Bot.
Res. 35: 53-109.
44.Wang, S.M., Lan, H., Jia, H.H.,
Xie, K.D., Wu, X.M., Chen, C.L.
and Guo, W.W. 2016. Induction of
parthenogenetic haploid plants using
gamma irradiated pollens in ‘Hirado
Buntan’pummelo (Citrus grandis L.]
Osbeck). Sci. Hortic. 207: 233-239.