Получение микроклубней картофеля в жидкой питательной среде

Получение безвирусного семенного материала картофеля в Казахстане в основном проводится через выделение апикальных меристем с последующим получением из них пробирочных растений на агаризованной питательной среде и дальнейшем образовании из них миниклубней в закрытом грунте. Получение микроклубней из меристемных растений в производстве семенного материала картофеля in vitro не проводится, хотя этот метод является одним из успешных методов увеличения материала картофеля в условиях in vitro. Исходя из вышеуказанной проблемы нами была поставлена цель – оптимизировать жидкую питательную среду MS для получения микроклубней картофеля in vitro из меристемных растений с перспективой введения данной процедуры в процесс получения семенного материала в семеноводческих хозяйствах. В статье изложены новые данные, которые применимы на первоначальных этапах семеноводства картофеля, при производстве первого клубневого поколения здорового материала, в частности, при тиражировании растений in vitro и производстве микроклубней. Представлены результаты анализа морфометрических данных развития растений in vitro, полученных при культивировании одноузловых сегментов картофеля на десяти вариантах жидкой среды Мурасиге-Скуга с различными сочетаниями концентраций сахарозы (20 и 30 г/л), кинетина (0, 2 и 4 мг/л), гиббереловой кислоты (0, 0,5 и 1 мг/л) в стеклянных сосудах объемом 220 мл. Выявлена оптимальная жидкая питательная среда для получения развитых растений in vitro картофеля для дальнейшего производства микроклубней. Определена эффективность жидкой питательной среды для получения микроклубней картофеля при выращивании растений in vitro на средах с различными сочетаниями концентраций сахарозы (60 и 90 г/л), кинетина (0 и 2 мг/л) и 6-бензиламинопурина (0 и 5 мг/л). Результаты исследования могут стать основой для культивирования растений в биореакторе с целью массового производства свободных от вирусов микроклубней картофеля. Благодарности. Исследования проведены в рамках грантового финансирования Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан, проект AP05131947 «Использование биореактора для высокоэффективного получения безвирусного посадочного материала картофеля».

1. A review on potato (Solanum tuberosum L.) and its genetic diversity / B. J. Reddy [et al.] // Intern. J. of Genetics. - 2018. - vol. 10, № 2. - P. 360-364. https://doi.org/10.9735/0975-2862.10.2.360-364

2. Muthoni, J. Alleviating potato seed tuber shortage in developing countries: potential of true potato seeds / J. Muthoni, H. Shimelis, R. Melis // Austral. J. of Crop Science. - 2013. - Vol. 7, N 12. - P. 1946-1954.

3. Приемы повышения продуктивности картофеля в питомниках оригинального семеноводства / Н. А. Курейчик [и др.] // Картофелеводство : сб. науч. тр. / Науч.-практ. центр НАН Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству. - Минск, 2013. - Вып. 21, ч. 2. - С. 72-80.

4. Jones, E. D. A current assessment of in vitro culture and other rapid multiplication methods in North America and Europe / E. D. Jones // Amer. Potato J. - 1988. - Vol. 65, N 4. -P. 209-220. https://doi.org/10.1007/BF02854453

5. Sucrose utilization during potato micro tuber growth in bioreactors / W. C. Yu [et al.] // Plant Cell Reports. - 2000. - Vol. 19, № 4. - P. 407-413. https://doi.org/10.1007/s002990050748

6. Rosell, G. In vitro mass tuberization as a contribution to potato micropropagation / G. Rosell, F. G. De Bertoldi, R. Tibia // Potato Research. - 1987. - Vol. 30, N 1. - P. 111-116. https://doi.org/ 10.1007/s10535-017-0715-x

7. Инновации в системе клонального микроразмножения картофеля / Б. В. Анисимов [и др.] // Картофель и овощи. - 2008. - № 4. - С. 26-27.

8. Рекомендации по технологии выращивания in vitro микроклубней и их использования в процессе оригинального семеноводства / Всерос. науч.-исслед. ин-т картоф. хоз-ва ; сост.: Б. В. Анисимов, Д. В. Смолеговец, О. Н. Шатилова. - М. : ВНИИКХ, 2009. - 21 с.

9. Овэс, Е. В. Выращивание in vitro микроклубней с применением контейнерной технологии / Е. В. Овэс, О. С. Колесова, Н. А. Фенина // Современная индустрия картофеля: состояние и перспективы развития : материалы VI межрегион. науч.-практ. конфер. / Всерос. науч.-исслед. ин-т картоф. хоз-ва ; редкол.: Б. В. Анисимов [и др.]. - Чебоксары, 2014. - С. 111-115.

10. In vitro tuberization of potato cultivars as influenced by photoperiod, exogenous sucrose and cytokinin concentrations / E. F. Mahdi [et al.] // J. of the Saudi Soc. of Agr. Sciences. - 2004. - Vol. 17, N 1. - P. 25-35.

11. Kanwal, A. In vitro microtuberization of potato (Solanum tubersoum L.) cultivar Kurodaa new variety in Pakistan /A. Kanwal, A. Ali, K. Shoaib // Intern. J. of Agr. a. Biol. Engineering. - 2006. - Vol. 8, N 3. - P. 337-340.

12. Effect of chlorocholine chloride, sucrose and BAP on in vitro tuberization in potato (Solanum tuberosum L. cv. Cardinal) / I. Hussain [et al.] // Pakistan J. of Botany. - 2006. - Vol. 38, № 2. - P. 275-282.

13. The effect of various concentrations of 6-benzylaminopurine (BAP) and sucrose on in vitro potato (Solanum tuberosum L.) microtuber induction / A. A. Imani [et al.] // Amer.-Eurasian J. of Agr. a. Environmental Sciences. - 2010. - Vol. 8, № 4. - P. 457-459.

14. Fufa, M. Microtuber induction of two potato (Solanum tuberosum L.) varieties / M. Fufa, M. Diro // Advances in Crop Science a. Technology. - 2014. - Vol. 2, N 2. - P. 1-4. https://doi.org/10.4172/2329-8863.1000122

15. Nhut, D. T. A novel in vitro hydroponic culture system for potato (Solanum tuberosum L.) microtuber production / D. T. Nhut, N.,H. Nguyen, D. T. T. Thuy // Scientia Horticulturae. - 2006. - Vol. 110, № 3. - P. 230-234. https://doi. org/10.1016/j.scienta.2006.07.027

16. Efficient microtuber production of potato in modified nutrient spray bioreactor system / Md. Z. Rahman [et al.] // Scientia Horticulturae. - 2015. - Vol. 192. - P. 369-374. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.06.014

17. Production of yam microtubers using a temporary immersion system / M. C. Jova [et al.] // Plant Cell, Tissue a. Organ Culture. - 2005. - Vol. 83, N 1. - P. 103-107. https://doi.org/10.1007/s11240-005-4853-z

18. Estrada, R. Induction of in vitro tubers in a broad range of potato genotypes / R. Estrada, P. Tovar, J. H. Dodds // Plant Cell, Tissue a. Organ Culture. - 1986. - Vol. 7, № 1. -P. 3-10. https://doi.org/10.1007/BF00043915

19. A simple method for mass production of potato microtubers using a bioreactor system / X. C. Piao [et al.] // Current Science. - 2003. - Vol. 84, N 8. - P. 1129-1132.

20. Akita, M. Stimulation of potato (Solanum tuberosum L.) tuberization by semicontinous liquid medium surface level control / M. Akita, S. Takayama // Plant Cell Reports. - 1994. - Vol. 13, N 3-4. - P. 184-187. https://doi.org/10.1007/bf00239889

21. Ebadi, M. Shoot micropropagation and microtuberization in potato (Solanum tuberosum L.) by the semi-continuous bioreactor / M. Ebadi, A. Iranbakhsh, G. B. Khaniki // Pakistan J. of Biol. Sciences. - 2007. - Vol. 10, N 6. - P. 861-867. https://doi.org/10.3923/pjbs.2007.861.867

22. In vitro tuberization of potato (Solanum tuberosum L.) variety Diacol Capiro in temporary immersion bioreactors and grow evaluation in field / N. M. Perez [et al.] // Ciencia. - 2008. - Vol. 16, N 3. - P. 288-295.

23. Effects of illumination source, culture, ventilation, and sucrose on potato (Solanum tuberosum) microtuber production under short days / M. J. Alix [et al.] // Annals of Appl. Biology. - 2001. - Vol. 139, N 2. - P. 175-187. https://doi.org/10.1111/j.1744-7348.2001.tb00394.x

24. Novel bioreactor technology for mass propagation of potato microtubers / T. Kämäräinen-Karppinen [et al.] // Plant Cell, Tissue a. Organ Culture. - 2010. - Vol. 101, N 2. - P. 245-249. https://doi.org/10.1007/s11240-010-9679-7

25. Murashige, T. A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures / T. Murashige, F. Skoog // Physiologia Plantarum. - 1962. - Vol. 15, N 3. - P. 473-497. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x

26. Ewing, E. E. The role of hormones in potato (Solanum tuberosum L.) tuberization // Plant Hormones: physiology, biochemistry, and molecular biology / ed. P. J. Davies. - Dordrecht ; Boston, 1995. - P. 698-724. https://doi.org/10.1007/97894-011-0473-9_32

27. Palmer, C. E. Effect of kinetin on tuber formation on isolated stolons of Solanum tuberosum L. cultured in vitro / C. E. Palmer., O. E. Smith // Plant a. Cell Physiology. - 1970. - Vol. 11, № 2. - P. 303-314. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.pcp.a074511

28. Performance of different protocols on in vitro tuberization in potato (Solanum tuberosum) / M. Zakaria [et al.] // Bangladesh J. of Agr. Research. - 2014. - Vol. 39, N 1. - P. 59-66. https://doi.org/10.3329/bjar.v39i1.20143

29. Effects of sucrose and growth regulators on the microtuberization of potato germplasm / S. Ali [et al.] // Pakistan J. of Botany. - 2018. - Vol. 50, N 2. - P. 763-768.

30. Transformed potato plants as a model for studying the hormonal and carbohydrate regulation of tuberization / N. P. Aksenova [et al.] // Russ. J. of Plant Physiology. - 2000. - Vol. 47, N 3. - P. 370-379.

31. Effect of indole-3-acetic acid and kinetin on tuberization parameters of different cultivars and transgenic lines of potato in vitro / G. A. Romanov [et al.] // Plant Growth Regulation. - 2000. - Vol. 32, N 2-3. - P. 245-251. https://doi.org/10.1023/A:1010771510526

32. Dodds, J. H. Micropropagation of potato (Solanum tuberosum L.) / J. H. Dodds, D. Silva-Rodriguez, P. Tovar // Hightech and micropropagation III / ed. Y. P. S. Bajaj. - Berlin ; Heidelberg, 1992. - P. 91-106. - (Biotechnology in agriculture and forestry ; vol. 19). https://doi.org/10.1007/978-3-662-07770-2_6

33. Khuri, S. Investigation into the role of sucrose in potato cv. Estima microtuber production in vitro / S. Khuri, J. Moorby // Annals of Botany. - 1995. - Vol. 75, N 3. - P. 295-303. https://doi.org/10.1006/anbo.1995.1024

34. Abbott, A. J. Potato tuber formation in vitro / A. J. Abbott, A. R. Belcher // Plant tissue culture and its agricultural applications / ed.: L. A. Withers, P. G. Alderson. - London, 1986. - P. 113-122.

35. Garner N., The induction and development of potato microtubers in vitro on media free of growth regulating substances / N. Garner, J. Blake // Annals of Botany. - 1989. - Vol. 63, N 6. - P. 663-674. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.aob.a087795

36. Hussey, G. Factors affecting the formation of in vitro tubers of potato (Solanum tuberosum L.) / G. Hussey, N. J. Stacey // Annals of Botany. - 1984. - Vol. 53, N 4. - P. 565-578. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.aob.a086720

37. Lawrence, C. H. A study of tuberization in the potato, Solanum tuberosum / C. H. Lawrence, W. G. Barker // Amer. Potato J. - 1963. - Vol. 40, N 10. - P. 349-356. https://doi.org/10.1007/bf02862742

38. Effect of explant and sucrose on microtuber induction in potato cultivars / B. Fatima [et al.] // Intern. J. of Agriculture a. Biology. - 2005. - Vol. 7, N 1. - P. 63-66.

39. Role of sucrose, glucose and maltose on conventional potato micropropagation / M. H. Rahman [et al] // J. of Agr. Technology. - 2010. - Vol. 6, N 4. - P. 733-739.

40. Sarkar, D. Cytokinins antagonize the jasmonates action on the regulation of potato (Solanum tuberosum) tuber formation in vitro / D. Sarkar, S. Pandey, S. Sharma // Plant Cell, Tissue a. Organ Culture. - 2006. - Vol. 87, N 3. - P. 285-295. https://doi.org/10.1007/s11240-006-9166-3