Андрогенез и гиногенез в культуре томата (Solanum lycopersicum L.) in vitro

Томат (Solanum lycopersicum L.) – одна из наиболее потребляемых овощных культур. Плоды томата богаты витаминами, минералами и пигментами, включая ликопин. В связи с высоким спросом и увеличением производства появляется необходимость в получении новых улучшенных сортов и гибридов F₁.

Биотехнологические методы сокращают время для создания исходного материала и снижают трудоемкость селекционных работ. Получение удвоенных гаплоидных растений позволяет фиксировать и анализировать новые комбинации генов за меньшее время, чем требуется при традиционной селекции, а также получать гомозиготные растения. Считается, что томаты малоотзывчивы к гаплоидной индукции, что является предметом исследований уже более 40 лет и все еще представляет особый интерес. Основные методы получения гаплоидов основаны на андрогенезе и гиногенезе.

Целью данной работы является обзор исследований получения гаплоидов томата путем андрогенеза и гиногенеза. В настоящее время нет эффективных и воспроизводимых протоколов для получения удвоенных гаплоидов этой культуры. Необходимо определить инкубационные условия, физико-химические условия среды, зависимость генотипа культуры in vitro, физиологическое состояние донорного растения и развитие пыльника, которые влияют на повторяемость протоколов для достижения индукции гаплоидии.

Культура пыльников для получения гаплоидных растений томата не дала успешных результатов, а исследований по культуре микроспор было проведено мало, поэтому трудно дать оценку эффективности данного способа. Методы на основе гиногенеза малоизучены, однако потенциально культура неоплодотворенных семяпочек может стать успешным способом получения гаплоидов томата при ее дальнейшей разработке.

1. Abewoy Fentik D. Review on genetics and breeding of tomato (Lycopersicon esculentum Mill). Advances in Crop Science and Technology. 2017;5(5):306. DOI: 10.4172/2329-8863.1000306

2. Ahmadi B., Shariatpanahi M.E., Asghari-Zakaria R., Zare N., Azadi P. Efficient microspore embryogenesis induction in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) using shed microspore culture. Journal of Pure and Applied Microbiology. 2015;9:21-29. DOI: 10.13140/RG.2.1.3265.8805

3. Ali A., Muzaffar A., Awan M.F., ud Din S., Nasir I.A., Husnain T. Genetically modified foods: engineered tomato with extra advantages. Advancements in Life Sciences. 2014;1(3):139-152.

4. Авдеев Ю.И. Селекция томатов. Кишинев: Штиинца; 1982.

5. Bal U., Abak K. Attempts of haploidy induction in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) via gynogenesis I: Pollination with Solanum sisymbriifolium Lam. pollen. Pakistan Journal of Biological Sciences. 2003a;6(3);745-749. DOI: 10.3923/pjbs.2003.745.749

6. Bal U., Abak K. Attempts of haploidy induction in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) via gynogenesis II: In vitro nonfertilized ovary culture. Pakistan Journal of Biological Sciences. 2003b;6(8):750-755. DOI: 10.3923/pjbs.2003.750.755

7. Bal U., Abak K. Haploidy in tomato (Lycopersicum esculentum Mill.): a critical review. Euphytica. 2007;158(1):1-9. DOI: 10.1007/s10681-007-9427-1

8. Bal U., Abak K. Induction of symmetrical nucleus division and multicellular structures from the isolated microspore of Lycopersicon esculentum Mill. Biotechnology and Biotechnological Equipment. 2005;19(1);35-42. DOI: 10.1080/13102818.2005.10817151

9. Bhatia P., Ashwath N., Senaratna T., Midmore D. Tissue culture studies of tomato (Lycopersicon esculentum). Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2004;78(1):1-21. DOI: 10.1023/B:TICU.0000020430.08558.6e

10. Corral-Martínez P., Nuez F., Seguí-Simarro J.M. Genetic, quantitative and microscopic evidence for fusion of haploid nuclei and growth of somatic calli in cultured ms1035 tomato anthers. Euphytica. 2011;178(2):215-228. DOI: 10.1007/s10681-010-0303-z

11. FAOSTAT. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Food and agriculture data. Rome: FAO; 2021. Available from: http://www.fao.org/faostat/en/#data [accessed Jan. 29, 2023].

12. Foolad M.R. High lycopene content tomato plants and markers for use in breeding for same. USA; patent number: US20090241209A1; 2013.

13. Gerszberg A., Hnatuszko-Konka K., Kowalczyk T., Kononowicz A.K. Tomato (Solanum lycopersicum L.) in the service of biotechnology. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2015;120(3):881-902. DOI: 10.1007/s11240-014-0664-4

14. Greeshoff P.M., Doy C.H. Development and differentiation of haploid Lycopersicon esculentum (tomato). Planta. 1972;107(2):161-170. DOI: 10.1007/BF00387721

15. Iqbal R.K., Saeed K., Khan A., Noreen I., Bashir R. Tomato (Lycopersicum esculentum) fruit improvement through breeding. Scholar Journal of Applied Sciences and Research. 2019;2(7):21-25.

16. Julião S.A., Carvalho C.R., da Silva T.C.R., Koehler A.D. Multiploidy occurrence in tomato calli from another culture. African Journal of Biotechnology. 2015;14(40):2846-2855. DOI: 10.5897/AJB2015.14525

17. Кириллова Г.А., Богданова Е.Н. Сравнительное изучение длительно существующей гаплоидной формы томата и гомозиготной полученной из нее. Генетика. 1978;14(8):1030-1037.

18. Kumar S., Jindal S.K., Sarao N.K., Dhaliwal M.S. Callus induction and plant regeneration of tomato through another culture. Vegetable Science. 2020;47(1):23-27.

19. Kurina A.B., Solovieva A.E., Khrapalova I.A., Artemyeva A.M. Biochemical composition of tomato fruits of various colors. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2021;25(5):514-527. DOI: 10.18699/VJ21.058

20. Lin T., Zhu G. , Zhang J. , Xu X. , Yu Q., Zheng Z. et al. Genomic analyses provide insights into the history of tomato breeding. Nature Genetics. 2014;46(11):1220-1226. DOI: 10.1038/ng.3117

21. Marin-Montes I.M., Rodríguez-Pérez J.E., Robledo-Paz A., de la Cruz-Torres E., Peña-Lomelí A., Sahagún-Castellanos J. Haploid induction in tomato (Solanum lycopersicum L.) via gynogenesis. Plants. 2022;11(12):1595. DOI: 10.3390/plants11121595

22. Moreno A., Claveria E., Pujol M., Dolcet-Sanjuan R. Development of a methodology for the production of doubled haploid lines in Solanum lycopersicum L. Acta Horticulturae. 2012;935:95-100. DOI: 10.17660/ActaHortic.2012.935.13

23. Musa U.H., Isa H., Dasikwo S.Y., Kabido A.I., Abdullahi M.H. Cytological characterization of tomato (Solanum lycopersicum L.) germplasm. Journal of Agripreneurship and Sustainable Development. 2023;6(1):106-112. DOI: 10.59331/jasd.v6i1.398

24. Нгуен Т.Д., Шамина З.Б. Культура изолированных пыльников томата. Физиология растений. 1978;25(1):155-160.

25. Niazian M., Shariatpanahi M.E., Abdipour M., Oroojloo M. Modeling callus induction and regeneration in an anther culture of tomato (Lycopersicon esculentum L.) using image processing and artificial neural network method. Protoplasma. 2019;256(5):1317-1332. DOI: 10.1007/s00709-019-01379-x

26. Nishiyama I., Tsukuda S. Effects of X- and gamma-irradiations on pollen fertility of Lycopersicum pimpinellifolium. The Japanese Journal of Genetics. 1961;36:423-427. DOI: 10.1266/jjg.36.423

27. Nishiyama I., Tsukuda S. Radiobiological studies in plants I. Effects of X-rays upon pollen germination and fertility. The Japanese Journal of Genetics. 1959;34(11):363-370. DOI: 10.1266/jjg.34.363

28. Prigge V., Xu X., Li L., Babu R., Chen S., Atlin G.N. et al. New insights into the genetics of in vivo induction of maternal haploids, the backbone of doubled haploid technology in maize. Genetics. 2011;190(2):781-793. DOI: 10.1534/genetics.111.133066

29. Rick C.M., Butler L. Cytogenetics of the tomato. Advances in Genetics. 1956;8:267-382. DOI: 10.1016/S0065-2660 (08)60504-0

30. Seguí-Simarro J.M. Androgenesis in Solanaceae. Methods in Molecular Biology. 2016;1359:209-244. DOI: 10.1007/978-1-4939-3061-6_9

31. Seguí-Simarro J.M. Androgenesis revisited. The Botanical Review. 2010;76(3):377-404. DOI: 10.1007/s12229-010-9056-6

32. Seguí-Simarro J.M., Nuez F. Androgenesis induction from tomato anther cultures: callus characterization. Acta Horticulturae. 2006;725:855-861. DOI: 10.17660/ActaHortic.2006.725.118

33. Seguí-Simarro J.M., Nuez F. Embryogenesis induction, callogenesis, and plant regeneration by in vitro culture of tomato isolated microspores and whole anthers. Journal of Experimental Botany. 2007;58(5):1119-1132. DOI: 10.1093/jxb/erl271

34. Seguí-Simarro J.M., Nuez F. Meiotic metaphase I to telophase II as the most responsive stage during microspore development for callus induction in tomato (Solanum lycopersicum) anther cultures. Acta Physiologiae Plantarum. 2005;27(4):675-685. DOI:10.1007/s11738-005-0071-x

35. Sharp W.R., Dougall D.K., Paddock E.F. Haploid plantlets and callus from immature pollen grains of Nicotiana and Lycopersicon. Bulletin of the Torrey Botanical Club. 1971;98(4):219-222. DOI: 10.2307/2483689

36. Шмыкова Н.А. Гаплоидия у томата. Овощи России. 2009;1(3):12-15.

37. Shtereva L., Zagorska N., Dimitrov B., Kruleva M.M., Oanh H.K. Induced androgenesis in tomato (Lycopersicon esculentum Mill). II. Factors affecting induction of androgenesis. Plant Cell Reports. 1998;18(3-4):312-317. DOI: 10.1007/s002990050578

38. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т. 1. «Сорта растений» (официальное издание). Москва: Росинформагротех; 2023. URL: https://gossortrf.ru/publication/reestry.php [дата обращения: 10.11.2023].

39. Summers W.L., Jaramillo J., Bailey T. Microspore developmental stage and anther length influence the induction of tomato anther callus. HortScience. 1992;27(7):838-840. DOI: 10.21273/HORTSCI.27.7.838

40. Thomas B.R., Pratt D. Efficient hybridization between Lycopersicon esculentum and L. peruvianum via embryo callus. Theoretical and Applied Genetics. 1981;59(4):215-219. DOI: 10.1007/BF00265495

41. Van den Bulk R.W., Löffler H.J., Lindhout W.H., Koornneef M. Somaclonal variation in tomato: effect of explant source and a comparison with chemical mutagenesis. Theoretical and Applied Genetics. 1990;80(6):817-825. DOI: 10.1007/BF00224199

42. Wijbrandi J., Posthuma A., Kok J.M., Rijken R., Vos J.G.M., Koornneef M. Asymmetric somatic hybrids between Lycopersicon esculentum and irradiated Lycopersicon peruvianum: 1. Cytogenetics and morphology. Theoretical and Applied Genetics. 1990;80(3):305-312. DOI: 10.1007/BF00210064

43. Yan G., Liu H., Wang H., Lu Z., Wang Y., Mullan D. et al. Accelerated generation of selfed pure line plants for gene identification and crop breeding. Frontiers in Plant Science. 2017;8:1786. DOI: 10.3389/fpls.2017.01786

44. Ершова В.Л. Возделывание томатов в открытом грунте. Кишинев: Штиинца; 1978.

45. Zagorska N. A., Shtereva L.A., Dimitrov B.D., Kruleva M.M. Induced androgenesis in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) I. Influence of genotype on androgenetic ability. Plant Cell Reports. 1998:17(12):968-973. DOI: 10.1007/s002990050519

46. Zagorska N.A., Shtereva L.A., Kruleva M.M., Sotirova V.G., Baralieva D.L., Dimotrov B.D. Induced androgenesis in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.). III. Characterization of the regenerants. Plant Cell Reports. 2004;22(7):449-456. DOI: 10.1007/s00299-003-0720-8

47. Zamir D., Jones R.A., Kedar N. Anther culture of male sterile tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) mutants. Plant Science Letters. 1980:17(3):353-361. DOI: 10.1016/0304-4211(80)90168-6

48. Zhao H., Wang X.X., Du Y.C., Zhu D.W., Guo Y.M., Gao J.C. et al. Haploid induction via in vitro gynogenesis in tomato (Solanum lycopersicum L.). Journal of Integrative Agriculture. 2014;13(10):2122-2131. DOI: 10.1016/S2095-3119(13)60672-3

49. Zhong Y., Chen B., Wang D., Zhu X., Li M., Zhang J. et al. In vivo maternal haploid induction in tomato. Plant Biotechnology Journal. 2022;20(2):250-252. DOI: 10.1111/pbi.13755

50. Zorzoli R., Pratta G.R., Rodríguez G.R., Picardi L.A. Advances in biotechnology: Tomato as a plant model system. Functional Plant Science and Biotechnology. 2007;1(1):146-159.