Межвидовая гибридизация и клеточная инженерия салата (Lactuca L.)
https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-3-256-264
Аннотация
Lactuca sativa L. (салат) – овощная зеленная культура семейства Asteraceae, широко возделываемая во всем мире. Основными направлениями в селекции салата являются повышение урожайности, улучшение вкусовых качеств растения, скороспелость, устойчивость к абиотическим и биотическим стрессорам. Некоторые дикорастущие виды Lactuca L. широко используют в селекции салата в качестве доноров устойчивости к различным болезням. При создании новых сортов в настоящее время используют как традиционные, так и биотехнологические методы селекции. В данной статье представлен обзор основных достижений по получению межвидовых гибридов салата, включая методы культуры клеток и тканей и генной инженерии. Исследования искусственной гибридизации и изучение естественных популяций позволяют выяснить эволюционные связи между различными видами салата. Соматическая гибридизация – незаслуженно забытая, но перспективная технология в селекции салата – позволяет получать более широкий спектр изменений и не подвергается строгому контролю со стороны законов о ГМО. Этот метод имеет проблемы, связанные со сложностью регенерации протопластов и потерей способности к размножению у гибридов. Методы редактирования генома более эффективны и легче поддаются контролю, однако общество все еще настороженно относится к любым вмешательствам в геном растений и законодательно регулирует продажу ГМ-продуктов в качестве продуктов питания. Перед исследователями стоит задача усовершенствования данных методик.
Об авторах
Н. А. ЗагнухинаРоссия
Наталья Андреевна Загнухина, и. о. младшего научного сотрудника
190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
А. Б. Курина
Россия
Анастасия Борисовна Курина, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, и. о. заведующего лабораторией
190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
Список литературы
1. Berry S.F., Lu D.Y., Pental D., Cocking E.C. Regeneration of plants from protoplasts of Lactuca sativa L. Zeitschrift für Pflanzenphysiologie. 1982;108(1):31-38. DOI: 10.1016/s0044-328x(82)80088-3
2. Bertier L.D., Ron M., Huo H., Bradford K.J., Britt A.B., Michelmore R.W. High-resolution analysis of the efficiency, heritability, and editing outcomes of CRISPR/Cas9-induced modifications of NCED4 in lettuce (Lactuca sativa). G3 (Bethesda). 2018;8(5):1513-1521. DOI: 10.1534/g3.117.300396
3. Brown C., Lucas J.A., Power J.B. Plant regeneration from protoplasts of a wild lettuce species (Lactuca saligna L.). Plant Cell Reports. 1987;6(3):180-182. DOI: 10.1007/BF00268472
4. Chaipakdee W. Isolation and culture of protoplast from leaves of Lactuca sativa. Songklanakarin Journal of Science and Technology. 2007;29(4):929-935.
5. Chen Z., Han Y., Ning K., Ding Y., Zhao W., Yan S. et al. Inflorescence development and the role of LsFT in regulating bolting in lettuce (Lactuca sativa L.). Frontiers in Plant Science. 2018;8:2248. DOI: 10.3389/fpls.2017.02248
6. Choi S.H., Ahn W.S., Jie E.Y., Cho H.S., Kim S.W. Development of late-bolting plants by CRISPR/Cas9-mediated genome editing from mesophyll protoplasts of lettuce. Plant Cell Reports. 2022;41(7):1627-1630. DOI: 10.1007/s00299-022-02875-w
7. Chu R., Xu X., Lu Z., Ma Y., Cheng H., Zhu S. et al. Plastome-based phylogeny and biogeography of Lactuca L. (Asteraceae) support revised lettuce gene pool categories. Frontiers in Plant Science. 2022;13:978417. DOI: 10.3389/fpls.2022.978417
8. Crute I.R. The role of resistance breeding in the integrated control of downy mildew (Bremia lactucae) in protected lettuce. Euphytica. 1992;63:95-102. DOI: 10.1007/BF00023915
9. Curtis I.S., Power J.B., Blackhall N.W., de Laat A.M.M., Davey M.R. Genotype-independent transformation of lettuce using Agrobacterium tumefaciens. Journal of Experimental Botany. 1994;45(10):1441-1449. DOI: 10.1093/jxb/45.10.1441
10. D’Andrea L., Felber F., Guadagnuolo R. Hybridization rates between lettuce (Lactuca sativa) and its wild relative (L. serriola) under field conditions. Environmental Biosafety Research. 2008;7(2):61-71. DOI: 10.1051/ebr:2008006
11. Davey M.R., Anthony P., Power J.B. Lowe K.C. Leafy vegetables. In: C. Kole, T.C. Hall (eds). Compendium of Transgenic Crop Plants. Vol. 6. Transgenic Vegetable Crops. Chichester: Wiley-Blackwell; 2009. p.217-248. DOI: 10.1002/9781405181099.k0610
12. De Vries I.M. Crossing experiments of lettuce cultivars and species (Lactuca sect. Lactuca, Compositae). Plant Systematics and Evolution. 1990;171(3):233-248. DOI: 10.1007/BF00940608
13. De Vries I.M. Origin and domestication of Lactuca sativa L. Genetic Resources and Crop Evolution. 1997;44(2):165-174. DOI: 10.1023/A:1008611200727
14. Dinant S., Maisonneuve B., Albouy J., Chupeau Y., Chupeau M.C., Bellec Y. et al. Coat protein gene-mediated protection in Lactuca sativa against lettuce mosaic potyvirus strains. Molecular Breeding. 1997;3:75-86. DOI: 10.1023/a:1009671925550
15. Енгалычева И.А., Пышная О.Н., Джос Е.А., Тимина Л.Т., Золотарева О.И. Использование межвидовой гибридизации в селекции перца и салата на устойчивость к вирусной инфекции. Russian Agricultural Science Review. 2015;6(6-2):2-4.
16. Engler D.E., Grogan R.G. Isolation, culture and regeneration of lettuce leaf mesophyll protoplasts. Plant Science Letters. 1982;28(2):223-229. DOI: 10.1016/s0304-4211(83)80013-3
17. FAOSTAT. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Food and agriculture data. Rome: FAO; 2022. Available from: http://www.fao.org/ [accessed Feb. 06, 2024].
18. Harlan J.R., de Wet J.M.J. Toward a rational classification of cultivated plants. Taxon. 1971;20(4):509-517. DOI: 10.2307/1218252
19. Hartman Y., Uwimana B., Hooftman D.A.P., Schranz M.E., van de Wiel C., Smulders M.J.M. et al. Genomic and environmental selection patterns in two distinct lettuce crop–wild hybrid crosses. Evolutionary Applications. 2013;6(4):569-584. DOI: 10.1111/eva.12043
20. Hassan M.N., Mekkawy S.A., Mahdy M., Salem K.F.M., Tawfik E. Recent molecular and breeding strategies in lettuce (Lactuca spp.). Genetic Resources and Crop Evolution. 2021;68(8):3055-3079. DOI: 10.1007/s10722-021-01246-w
21. Hooftman D.A.P., de Jong M.J., Oostermeijer J.G.B., Den Nijs H.C.M. Modelling the long-term consequences of crop–wild relative hybridization: a case study using four generations of hybrids. Journal of Applied Ecology. 2007;44(5):1035-1045. DOI: 10.1111/j.1365-2664.2007.01341.x
22. Hooftman D.A.P., Hartman Y., Oostermeijer J.G.B., Den Nijs H.C.M. Existence of vigorous lineages of crop–wild hybrids in Lettuce under field conditions. Environmental Biosafety Research. 2009;8(4):203-217. DOI: 10.1051/ebr/2010001
23. Hooftman D.A.P., Oostermeijer J.G.B., Jacobs M.M.J., Den Nijs H.C.M. Demographic vital rates determine the performance advantage of crop–wild hybrids in lettuce. Journal of Applied Ecology. 2005;42(6):1086-1095. DOI: 10.1111/j.1365-2664.2005.01086.x
24. Hooftman D.A.P., Oostermeijer J.G.B., Marquard E., Den Nijs H.C.M. Modelling the consequences of crop-wild relative gene flow: a sensitivity analysis of the effects of outcrossing rates and hybrid vigour breakdown in Lactuca. Journal of Applied Ecology. 2008;45(4):1094-1103. DOI: 10.1111/j.1365-2664.2008.01508.x
25. Jemelková M., Kitner M., Křístková E., Beharav A., Lebeda A., Biodiversity of Lactuca aculeata germplasm assessed by SSR and AFLP markers, and resistance variation to Bremia lactucae. Biochemical Systematics and Ecology. 2015;61:344-356. DOI: 10.1016/j.bse.2015.07.003
26. Jing J., Ji J., Wang G., Wang P., Zhang P.Y. Establishment of genetic transformation system of lettuce by Agrobacterium tumefaciens and introduction of HIV gap-gp120 gene. Tianjin Agricultural Sciences. 2007;13(1):14-17.
27. Kanamoto H., Yamashita A., Asao H., Okumura S., Takase H., Hattori M. et al. Efficient and stable transformation of Lactuca sativa L. cv. ‘Cisco’ (lettuce) plastids. Transgenic Research. 2006;15(2):205-217. DOI: 10.1007/s11248-005-3997-2
28. Kim T.G., Kim M.Y., Kim B.G., Kang T.J., Kim Y.S., Jang Y.S. et al. Synthesis and assembly of Escherichia coli heat-labile enterotoxin B subunit in transgenic lettuce (Lactuca sativa). Protein Expression and Purification. 2007;51(1):22-27. DOI: 10.1016/j.pep.2006.05.024
29. Křístková E., Lebeda A., Kitner M., Vafková B., Matoušková Z., Doležalová I. et al. Phenotypes of the natural interspecific hybrids in the genus Lactuca. Úroda. 2012;60(9):28-31.
30. Кузьмина Ю.В. Методы редактирования генома для увеличения лёжкости плодов томата. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(1):31-39. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-1-o6
31. Lebeda A., Křístková E., Kitner M., Mieslerova B., Jemelková M., Pink D. Wild Lactuca species, their genetic diversity, resistance to diseases and pests, and exploitation in lettuce breeding. European Journal of Plant Pathology. 2014;138(3):597-640. DOI: 10.1007/s10658-013-0254-z
32. Lebeda A., Ryder E.J., Grube R., Doležalová I., Křístková E. Lettuce (Asteraceae; Lactuca spp.). In: R.J. Singh (ed.). Genetic Resources, Chromosome Engineering, and Crop Improvement. Vol. 3. Vegetable Crops. Boca Raton, FL: CRC Press; 2007. p.377-472. DOI: 10.1201/9781420009569.ch9
33. Liu C.W., Chen J.J.W., Kang C.C., Wu C.H., Yiu J.C. Transgenic lettuce (Lactuca sativa L.) expressing H1N1 influenza surface antigen (neuraminidase). Scientia Horticulturae. 2012;139:8-13. DOI: 10.1016/j.scienta.2012.02.037
34. Maisonneuve B. Lactuca virosa, a source of disease resistance genes in lettuce breeding: results and difficulties for gene introgression. In: Th.J.L. van Hintum, A. Lebeda, D. Pink, J.W. Schur (eds.). EUCARPIA Leafy Vegetables 2003: Proceedings of the EUCARPIA Meeting on Leafy Vegetables Genetics and Breeding; Noordwijkerhout, the Netherlands, 19–21 March 2003. Wageningen: CGN; 2003. p.61-67.
35. Maisonneuve B., Bellec Y. Utilisation de la culture in vitro d’embryons immatures pour les croisements interspécifiques entre Lactuca sativa L. et L. saligha L. ou L. virosa L.; étude des hybrides obtenu. Agronomie. 1987;7(5):313-319. [in French] DOI: 10.1051/agro:19870503
36. Marcondes J., Hansen E. Transgenic lettuce seedlings carrying hepatitis B virus antigen HBsAg. The Brazilian Journal of Infectious Diseases. 2008;12(6):469-471. DOI: 10.1590/s1413-86702008000600004
37. Matsumoto E. Interspecific somatic hybridization between lettuce (Lactuca sativa) and wild species L. virosa. Plant Cell Reports. 1991;9(10):531-534. DOI: 10.1007/BF00232325
38. Matsumoto E. Production of somatic hybrids between Lactuca sativa and L. serriola by cell fusion. Japanese Journal of Breeding. 1987;37 Suppl l:134-135.
39. Matvieieva N.A., Kudryavets Y.I., Lichova A.A. Shachovsky A.M., Bezdenezhnykh N.A., Kvasko E.Yu. Antiviral activity of extracts of transgenic chicory and lettuce plants with the human interferon alpha2b gene. Cytology and Genetics. 2012;46(5):285-290. DOI: 10.3103/S0095452712050076
40. Matvieieva N.A., Vasylenko M.Yu., Shakhovsky A.M., Kuchuk N.V. Agrobacterium-mediated transformation of lettuce (Lactuca sativa L.) with genes coding bacterial antigens from Mycobacterium tuberculosis. Cytology and Genetics. 2009;43(2):94-98. DOI: 10.3103/S0095452709020042
41. Michelmore R., Marsh E., Seely S., Landry B. Transformation of lettuce (Lactuca sativa) mediated by Agrobacterium tumefaciens. Plant Cell Reports. 1987;6(6):439-442. DOI: 10.1007/BF00272777
42. Mizutani T., Liu X.J., Tashiro Y., Miyazaki S., Shimazaki K. Plant regeneration and cell fusion of protoplasts from lettuce cultivars and related wild species in Japan. Bulletin of the Faculty of Agriculture, Saga University. 1989;67:109-118.
43. Nishio T., Sato T., Mori K., Takayanagi K. Simple and efficient protoplast culture procedure of lettuce, Lactuca sativa L. Japanese Journal of Breeding. 1988;38(2):165-171.
44. Park J., Choi S., Park S., Yoon J., Park A.Y., Choe S. DNA-free genome editing via ribonucleoprotein (RNP) delivery of CRISPR/Cas in lettuce. Methods in Molecular Biology. 2019;1917:337-354. DOI: 10.1007/978-1-4939-8991-1_25
45. Pileggi M., Mielniczki Pereira A.A., dos Santos Silva J.,Pileggi S.A.V., Verma D.P.S., Delauney A.J. et al. An improved method for transformation of lettuce by Agrobacterium tumefaciens with a gene that confers freezing resistance. Brazilian Archives of Biology and Technology. 2001;44(2):191-196. DOI: 10.1590/S1516-89132001000200013
46. Porcel R., Aroca R., Azcón R., Ruiz-Lozano J.M. PIP aquaporin gene expression in arbuscular mycorrhizal Glycine max and Lactuca sativa plants in relation to drought stress tolerance. Plant Molecular Biology. 2006;60(3):389-404. DOI: 10.1007/s11103-005-4210-y
47. Самко О.В., Снигирева А.В. Использование технологии соматической гибридизации в селекции растений. Амурский научный вестник. 2009;(1):233-239.
48. Sharma S., Gautam N., Thakur A.K., Srivastava D.K. Transgenic lettuce (Lactuca sativa L.) harboring chitinase gene expressed resistance against a devastating fungus, Sclerotinia sclerotiorum. International Journal of Plant Research. 2022;36(2):1265–1274. DOI: 10.1007/s42535-022-00519-8
49. Шмыкова Н.А., Супрунова Т.П., Пивоваров В.Ф. Биотехнологические и молекулярно-генетические методы в селекции овощных культур (к 95-летию ВНИИССОК). Сельскохозяйственная биология. 2015;50(5):561-570. DOI: 10.15389/agrobiology.2015.5.561rus
50. Siddiqui M.R. Somatic hybridization via protoplasts fusion in Lactuca sativa (Lettuce) and it’s fused product response to culture media. Journal of Agricultural Research. 2014;52(1):1-9.
51. Singh R.J. (ed.). Genetic resources, chromosome engineering, and crop improvement. Vol. 3. Vegetable Crops. Boca Raton, FL: CRC Press; 2006. DOI: 10.1201/9781420009569
52. Son B.H., Park C.G., Khakurel D., Hwang J., Kim W.Y., Jeon B.G. et al. Fertile plant regeneration from protoplasts of the Korean lettuce cultivar “Cheongchima” (Lactuca sativa L.). Journal of Agriculture and Life Science. 2022;56(5):45-50. DOI: 10.14397/jals.2022.56.5.45
53. Song D., Han Q., Dong Z., He Z. Genetic transformation of lettuce (Lactuca sativa): A review. African Journal of Biotechnology. 2014;13(16):1686-1693. DOI: 10.5897/AJB2014.13651
54. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию: [сайт]. URL: https://gossortrf.ru [дата обращения: 06.02.2024].
55. Torres A.C., Cantliffe D.J., Laughner B., Bieniek M., Nagata R., Ashraf M. et al. Stable transformation of lettuce cultivar South Bay from cotyledon explants. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 1993;34:279-285. DOI: 10.1007/bf00029717
56. Uwimana B., D’Andrea L., Felber F., Hooftman D.A.P., Den Nijs H.C.M., Smulders M.J.M. et al. A Bayesian analysis of gene flow from crops to their wild relatives: cultivated (Lactuca sativa L.) and prickly lettuce (L. serriola L.) and the recent expansion of L. serriola in Europe. Molecular Ecology. 2012a;21(11):2640-2654. DOI: 10.1111/j.1365-294X.2012.05489.x
57. Uwimana B., Smulders M.J.M., Hooftman D.A.P., Hartman Y., van Tienderen P.H., Jansen J. et al. Hybridization between crops and wild relatives: the contribution of cultivated lettuce to the vigour of crop–wild hybrids under drought, salinity and nutrient deficiency conditions. Theoretical and Applied Genetics. 2012b;125(6):1097-1111. DOI: 10.1007/s00122-012-1897-4
58. Wei T., van Treuren R., Liu X., Zhang Z., Chen J., Liu Y. et al. Whole-genome resequencing of 445 Lactuca accessions reveals the domestication history of cultivated lettuce. Nature Genetics. 2021;53(5):752-760. DOI: 10.1038/s41588-021-00831-0
59. Wei Z., Zhu S.X., Van Den Berg R.G., Bakker F.T., Schranz M.E. Phylogenetic relationships within Lactuca L. (Asteraceae), including African species, based on chloroplast DNA sequence comparisons. Genetic Resources and Crop Evolution. 2017;64(1):55-71. DOI: 10.1007/s10722-015-0332-5
60. Woo J.W., Kim J., Kwon S.I., Corvalán C., Cho S.W., Kim H. et al. DNA-free genome editing in plants with preassembled CRISPR-Cas9 ribonucleoproteins. Nature Biotechnology. 2015;33(11):1162-1164. DOI: 10.1038/nbt.3389
61. Wroblewski T., Tomczak A., Michelmore R. Optimization of Agrobacterium-mediated transient assays of gene expression in lettuce, tomato and Arabidopsis. Plant Biotechnology Journal. 2005;3(2):259-273. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2005.00123.x
62. Zohary D. The wild genetic resources of cultivated lettuce (Lactuca sativa L.). Euphytica. 1991;53(1):31-35. DOI: 10.1007/BF00032029
Рецензия
Для цитирования:
Загнухина Н.А., Курина А.Б. Межвидовая гибридизация и клеточная инженерия салата (Lactuca L.). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2024;185(3):256-264. https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-3-256-264
For citation:
Zagnukhina N.A., Kurina A.B. Interspecific hybridization and cell engineering of lettuce (Lactuca L.). Proceedings on applied botany, genetics and breeding. 2024;185(3):256-264. (In Russ.) https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-3-256-264