Badania podstawowe na rzecz postępu biologicznego w produkcji roślinnej w latach 2022-2026
Zadanie nr 6: Molekularne aspekty procesu embriogenezy w kulturze izolowanych mikrospor pszenicy (Triticum aestivum)
Nazwa Jednostki: Instytut Biologii, Biotechnologii i Ochrony Środowiska, Wydział Nauk Przyrodniczych, Uniwersytet Śląski w Katowicach
Kierownik projektu: dr Monika Gajecka
Cel badań
Celem niniejszych badań jest opracowanie efektywnego protokołu dla indukcji procesu embriogenezy w kulturze izolowanych mikrospor pszenicy oraz identyfikacja genów odpowiadających za inicjację tego procesu. Cel ten będzie realizowany przez określenie wpływu czynników zewnętrznych na efektywność indukcji zarodków i regeneracji roślin w kulturze izolowanych mikrospor pszenicy jarej i ozimej. Analiza ekspresji genów w kilku etapach indukcji zarodków dla 10 odmian pszenicy jarej i ozimej pozwoli na określenie korelacji ekspresji tych genów w poszczególnych fazach indukcji zarodków z efektywnością embriogenezy mikrospor i identyfikację markerów molekularnych, umożliwiających określenie potencjału odmian do efektywnej produkcji DH w kulturach mikrospor i pylników. Prowadzone będę także badania mające określić, czy albinizm w kulturze ozimych odmian pszenicy jest, tak jak w przypadku jęczmienia, konsekwencją wczesnego różnicowania proplastydów w amyloplasty podczas rozwoju ziaren pyłku in vivo i opracować markery potencjału genotypu do regeneracji zielonych roślin.
Streszczenie:
Androgeneza, czyli rozwój rośliny z niedojrzałego gametofitu męskiego stanowi najbardziej efektywną metodą pozyskiwania podwojonych haploidów (DH) roślin, którą można indukować w kulturze pylników lub izolowanych mikrospor. Jednak jedynie w kulturze izolowanych mikrospor, poprzez izolację i oczyszczanie, mikrospory stanowią homogenną kulturę, a ich rozwój w zarodki jest zsynchronizowany. Brak pylników eliminuje problem powstawania z nich kalusa i regeneracji roślin z tkanki somatycznej. Wiele czynników ma istotny wpływ na efektywność procesu androgenezy, w tym: stan rośliny donorowej, stadium rozwojowe mikrospor, genotyp, rodzaj zastosowanego traktowania wstępnego, czy skład pożywek. Jednak nawet przy dobrze opracowanym protokole efektywność procesu androgenezy różni się znacząco pomiędzy genotypami. Ponadto, nawet przy wysokiej efektywności regeneracji roślin ogółem zależność od genotypu w androgenezie zbóż występuje również w aspekcie częstotliwości zielonych roślin wśród uzyskanych regenerantów, a zjawisko albinizmu regenerantów jest często obserwowane także u pszenicy. Pszenica jest gatunkiem, dla którego wydajne protokoły kultury izolowanych mikrospor nie są powszechne, a większość badań dotyczących mechanizmów molekularnych indukcji androgenezy prowadzona jest z wykorzystaniem kultury pylników. Efektywny system indukcji podwojonych haploidów u pszenicy oraz poszerzenie wiedzy z zakresu molekularnych aspektów rozwoju androgenicznych zarodów, jak również identyfikacja markerów efektywnej indukcji androgenezy są istotne w aspekcie wyprowadzania nowych odmian pszenicy oraz innych zbóż i mogą zyskać zastosowanie w programach hodowlanych.
Realizowane zadania:
Pierwszy etap badań będzie miał na celu określenie czynników warunkujących wysoką efektywność indukcji embriogenezy mikrospor. Jest to niezbędny krok aby w szybki sposób uzyskać homogenną zawiesinę mikrospor oczyszczonych z tkanek somatycznych i rozwijających się w płynnej pożywce, dzięki czemu możliwe jest optymalny rozwój zarodków o wysokim stopniu synchronizacji. Następnie opracowany protokół wydajnego systemu indukcji embriogenezy w kulturze izolowanych mikrospor zostanie zastosowany do określenia efektywności kultur, z uwzględnieniem indukcji embriogenezy mikrospor, regeneracji roślin ogółem i częstotliwości regeneracji roślin zielonych i albinotycznych. Badania będą przeprowadzone dla 10 odmian pszenicy jarej i 10 odmian ozimej, co pozwoli na wybór materiału do analiz molekularnych. W kolejnym etapie badań odmiany charakteryzujące się różnym potencjałem indukcji embriogenezy mikrospor zostaną wykorzystane do ilościowej analizy ekspresji 20 genów z wykorzystaniem RT-qPCR, które wybrane zostaną na podstawie analiz dostępnych danych literaturowych. Przeprowadzone badania pozwolą na porównanie indukcji embriogenezy mikrospor u odmian jarych i ozimych oraz określenie korelacji pomiędzy ekspresją wytypowanych genów a efektywną indukcją embriogenezy mikrospor. Umożliwia także opracowanie markerów pozwalających na wskazanie odmian o efektywnej indukcji androgenezy i odmian, dla których produkcja linii DH z wykorzystaniem androgenezy jest ograniczona. Ostatnim zagadnieniem realizowanym w ramach projektu będzie określenie czy regeneracja roślin zielonych jest zależna od różnicowania amyloplastów podczas rozwoju ziaren pyłku in vivo i określnie czy marker wytypowany dla jęczmienia jarego może być wykorzystany do identyfikacji odmian produkujących w przewadze rośliny zielone/albinotyczne u pszenicy.
Spodziewane rezultaty:
- Opracowanie efektywnego systemu indukcji embriogenezy mikrospor pszenicy jarej i ozimej
- Opracowanie efektywnego protokołu indukcji i różnicowania zarodków oraz regeneracji roślin
- Wskazanie czynników mających najbardziej znaczący wpływ na efektywność indukcji zarodków w kulturze izolowanych mikrospor pszenicy
- Identyfikacja genów oraz procesów, które determinują pozytywną indukcję procesu embriogenezy mikrospor u pszenicy
- Wytypowanie markerów efektywnej indukcji androgenezy, które pozwolą określić przydatność odmiany do kultury in vitro i znaleźć zastosowanie w programach hodowli pszenicy ozimej
- Określenie czy albinizm w kulturze izolowanych mikrospor pszenicy jarej i ozimej jest związany z dojrzewaniem plastydów podczas rozwoju ziaren pyłku in vivo
Całkowity koszt projektu: 765 000 PLN
Planowany okres realizacji projektu: 1 styczeń 2022- 31 grudzień 2026 (60 miesięcy)
Udostępnianie wyników badań:
Wyniki badań w kolejnych latach realizacji zadania będą zamieszczane na stronie internetowej Instytutu Biologii, Biotechnologii i Ochrony Środowiska UŚ (https://us.edu.pl/instytut/ibbios/) nie później niż do dnia 15 stycznia kolejnego roku i będą dostępne nieodpłatnie dla wszystkich zainteresowanych.