Способ клонального микроразмножения винограда in vitro
Изобретение относится к биотехнологии. Изобретение представляет собой способ клонального микроразмножения винограда in vitro, включающий микрочеренкование пробирочных растений, высадку их на питательную среду в присутствии ростовых веществ и культивирование, где высадку и культивирование осуществляют на твердой питательной среде Мурасиге и Скуга, содержащей в качестве росторегулирующего вещества препарат Мелафен в концентрации 10-7-10-11%. Заявляемый способ позволяет увеличить выход растений за счет эффективной приживаемости микрочеренков, хорошей регенерации, улучшения качественных показателей растений. 6 табл.
Реферат
Изобретение относится к биотехнологии, в частности, к способам размножения растений, и может быть использовано в виноградарстве для ускоренного размножения перспективных сортов винограда.
Известны различные способы с использованием, в основном, природных биологически активных соединений, таких как гиберреллины, цитокинины, ауксины, брассиностероиды. Однако одни из них являются дорогостоящими, другие не нашли широкого применения из-за недостаточной стабильности, нерастворимости в воде или высокой токсичности (ауксины). Поэтому создание способов получения посадочного материала с использованием дешевых, нетоксичных, хорошо растворимых в воде химических препаратов, действующих, как и фитогормоны в сверхмалых концентрациях, является актуальной задачей.
Известен способ клонального микроразмножения растений, включающий введение в питательную среду цитокининов [Методические рекомендации по клональному микроразмножению винограда. Ялта, 1986, с.25-29]. Недостатком его является большая трудоемкость процессов, связанная с частой пересадкой эксплантов, слабой их укореняемостью, возможностью нарушения генетической стабильности размножаемых растений.
Известен способ клонального микроразмножения винограда in vitro, включающий микрочеренкование пробирочных растений и высадку их на питательную среду Мурасиге и Скуга [Клональное микроразмножение и оздоровление посадочного материала винограда для создания из него сортовых маточников интенсивного типа. Рекомендации. М., 1992, с.12-13]. Недостатком этого метода является его ограниченная эффективность вследствие стрессовых условий для микрочеренков in vitro, ингибирования ростовых процессов эксплантов токсическими веществами, выделяемыми ими в питательную среду. Повторное субкультивирование ухудшает их состояние, снижает выход микрочеренков.
Известен способ оптимизации клонального микроразмножения винограда in vitro [RU 2264706 C2, опубл. 27.11.2005, Бюл. №33] - прототип. Способ включает микрочеренкование пробирочных растений и высадку их на жидкую питательную среду с уменьшенным количеством микроэлементов и витаминов с добавлением в ее состав индолилуксусной кислоты 0,1-0,3 мг/л и препарата Эмистим в концентрации 10-7-10-10%. Недостатком прототипа является использование дорогого препарата Эмистим, представляющего собой композицию ростовых веществ цитокининовой и гиббереллиновой природы, выделенных из корней женьшеня. Препарат используется вместе с индолилуксусной кислотой, также являющейся росторегулирующим препаратом.
Использование жидкой питательной среды так же усложняет процесс и снижает скорость высадки и приживаемость микрочеренков. Кроме того, при появлении бактериальной инфекции на жидкой питательной среде её трудно заметить, пока она не разовьётся в значительной степени и не приведет к гибели микрочеренка или даже растения.
Для получения хорошего, устойчивого посадочного материала элитных сортов винограда, необходимо использование высокоэффективных и дешевых регуляторов роста растений.
Задача изобретения - расширение арсенала известных способов клонального микроразмножения винограда in vitro, позволяющих улучшить приживаемость микрочеренков, регенерацию растений и их качественные показатели.
Технический результат заключается в действии синтетического росторегулирующего препарата Мелафена при клональном микроразмножении винограда in vitro.
Технический результат достигается заявляемым способом клонального микроразмножения винограда in vitro, включающим микрочеренкование пробирочных растений, высадку их на питательную среду в присутствии росторегулирующих веществ, в качестве которых используют препарат Мелафен в концентрации 10-7-10-11%.
Мелафен представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты общей формулы:
Препарат растворим в воде, малотоксичен (его LД50 2000 мг/кг - для мышей и 6000 мг/кг - для крыс). Растворы Мелафена стабильны при хранении годами.
Полученные на разнообразных культурах (зерновых, кормовых и овощных) экспериментальные данные позволили заключить, что Мелафен, как и фитогормоны, обладает полифункциональностью действия. Направленность физиолого-биохимических изменений в растениях под влиянием препарата подобна действию цитокининов на энергетический и метаболический обмен растений [Фаттахов С.Г., Лосева Н.Л., Коновалов А.И., и др. Влияние мелафена на рост и энергетические процессы растительной клетки // ДАН. 2004, Т.394, №1, С.127-129; Костин В.И., Костин О.В., Исайчев В.А. Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии. Казань, 2006, С.26-34].
Мелафен, как и цитокинины, участвует в регуляции физиологических процессов в течение всего онтогенеза, в регуляции обмена веществ закончивших рост органов, повышает содержание пигментов, увеличивает интенсивность фотосинтеза, повышает скорость фотофосфорилирования, улучшает энергетический обмен растения [RU 2158735 C1, опубл. 10.11.2000 г. Бюл. №31].
Мелафен действует в чрезвычайно малых концентрациях, что делает его экологически безвредным. Его синтез прост, что обуславливает его дешевизну по сравнению с препаратами подобного назначения.
Известно влияние Мелафена на энергию прорастания и всхожесть семян, повышение урожайности и качества продукции зерновых [RU 2158735 C1, опубл. 10.11.2000 г. Бюл. №31; RU 2390984 C1, опубл. 10.06.2010, Бюл. №16; RU 2354106 C2, опубл. 10.05.2009, Бюл. №13].
Известно применение Мелафена в биотехнологии, а именно в способах получения алкалоидов при выращивании культуры клеток ткани, например, Раувольфии змеиной Rauwolfia Serpentina Benth [RU 2394100 C2, опубл. 10.07.2010, Бюл. №19; RU 2174555 C1, опубл. 10.10.2001 г.; RU 2323972 C1, опубл. 10.05.2008, Бюл. №13].
Однако возможность использования Мелафена при клональном микроразмножении винограда на этапе микрочеренкования неизвестна.
Новым в заявляемом способе является, то, что микрочеренки высаживают на питательную среду, содержащую синтетический росторегулирующий препарат Мелафен.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Готовят питательную среду Мурасиге и Скуга следующего состава:
Макроэлементы, мг/л:
NH4NO3 аммоний азотнокислый | 138.0 |
KNO3 калий азотнокислый | 950.0 |
MgSO4·7H2O магний сернокислый 7-водный | 185.0 |
KH2PO4 калий фосфорнокислый однозамещенный | 68.0 |
CaCl2·2H2O кальций хлористый 2-водный | 296.0 |
Микроэлементы, мг/л:
H3BO3 борная кислота | 6.2 |
MnSO4·5H2O марганец сернокислый 4-водный | 22.3 |
CuSO4·5H2O медь сернокислая 5-водный | 0.025 |
CoCl2·6H2O кобальт хлористый 6-водный | 0.025 |
ZnSO4·7H2O цинк сернокислый 4-водный | 8.6 |
Na2MoO4·2H2O натрий молибденовокислый 2-0.025 | 0.3 |
KJ калий йодистый | 0.9 |
FeSO4·7H2O хелат железа: железо сернокислое 7-водное | 27.8 |
Na2ЭДТА трилон Б | 37.3 |
Витамины, мг/л
мезоинозит | 50.0 |
Тиамин HCl | 0.2 |
а также
Индолилуксусная кислота (ИУК), мг/л | 0.1 |
Сахароза (г/л) | 30.0 |
Агар-агар(г/л) | 7.5 |
В состав среды добавляют препарат Мелафен в концентрациях 10-7-10-11%.
pH среды перед автоклавированием - 5.7-5.9.
Пробирки с питательной средой закрывают фольгой, помещают в штатив, который закрывают целлофаном, обвязывают шпагатом и автоклавируют в автоклаве ГК-100-3.
Отбирают растения винограда, регенерированные из апикальных меристем размером 0,1-0,2 мм и размноженные в культуре in vitro. Микрочеренкование осуществляют в операционной комнате в ламинарном боксе «Фортран». Побеги, имеющие 8-10 междоузлий, помещают на стерильную чашку Петри, разрезают на микрочеренки, имеющие глазок с листом. Длина микрочеренка - 10-12 мм, 2 мм над глазком, остальные - под глазком, Полученные микрочеренки высаживают в пробирки на твердую питательную среду.
Культивирование осуществляют в культуральной комнате при освещенности 2,0-3,0 тыс. люксов, фотопериоде - 16 часов, температуре 25-27±2°C, влажности воздуха 70-75%.
Наблюдение за ростом растений проводили при клональном микроразмножении сортов винограда Цимладар, Пухляковский и Варюшкин с использованием Мелафена в концентрациях 10-7, 10-9, 10-11% в течение 3-х месяцев. Концентрации Мелафена определены ранее опытным путем для каждого размножаемого сорта.
Состав питательной среды, условия высадки и культивирование микрочеренков как в контроле, так и в опытных вариантах были одинаковыми за исключением того, что в контроле в питательной среде отсутствовал препарат Мелафен.
Получены четкие данные о положительном влиянии препарата Мелафен на клональное микроразмножение винограда сорта Цимладар (таблица 1). При концентрациях 10-7, 10-9, 10-11% отмечено улучшение всех качественных показателей растений уже через 23 дня культивирования. Лучшие результаты получены при концентрации 10-7%. Несколько хуже показатели в варианте с концентрацией 10-9%. Дальнейшее уменьшение положительного эффекта отмечено при минимальной концентрации препарата. Особо следует отметить увеличение скорости роста в 1,6 раза по сравнению с контролем, а также корнеобразования, роста и облиственности растений, благодаря чему повышается готовность растений к адаптации в нестерильных условиях, эффективность клонального микроразмножения и конечный выход растений.
При дальнейшем культивировании (48 дней) скорость роста замедляется, но превосходит контрольный вариант в 1,2 раза; сохраняются преимущества препарата Мелафен по всем показателям роста при концентрациях 10-7, 10-9, 10-11%.
При изучении действия препарата Мелафен на сортах Пухляковский и Варюшкин (таблицы 2, 3) таких четких данных не получено, но прослеживается тенденция улучшения качественных характеристик оздоровленных растений под влиянием регулятора роста Мелафен.
Результаты, представленные в таблице 2, полученные при культивировании в течение 30 и 60 дней сорта Пухляковский, демонстрируют улучшение приживаемости растений при всех исследуемых концентрациях, увеличение длины корней при концентрациях 10-9, 10-11%, ризогенной зоны при концентрации 10-11%, высоты и облиствленности при концентрациях 10-7, 10-11% (30 дней культивирования), а при более продолжительном культивировании (60 дней) - увеличение высоты и длины корней при всех концентрациях, ризогенной зоны при концентрации 10-11%, облиственности при концентрациях 10-9, 10-11%.
Данные таблицы 3 - сорт - Варюшкин демонстрируют увеличение длины корней и ризогенной зоны при всех концентрациях через 20 дней культивирования, через 54 дня культивирования увеличение облиствленности, числа корней и ризогенной зоны при концентрациях 10-7, 10-9%, а также улучшение приживаемости по сравнению с контролем при концентрации 10-9%.
Результаты окончательного учета, проведенного через 3 месяца после посева на сорте Пухляковский, подтвердили положительное влияние препарата Мелафен на ростовые процессы полученных мериклонов (таблица 4) при концентрации 10-11%. Увеличение длины (47,0 см против 41,1 см в контроле) и числа (4,7 шт., в контроле 3,8 шт.) корней, ризогенной зоны (220, 9 см, в контроле 156,2 см), длины (15,9 см, в контроле 15,4 см) и веса (0,06 мг, в контроле 0,05 мг) побегов, числа листьев (15,9 шт., в контроле 12,1 шт.) свидетельствует об эффективности указанной концентрации. Высокий коэффициент полярности указывает на преимущественное развитие корневой системы при этой концентрации.
Результаты таблиц 1-4 демонстрируют, что применение препарата Мелафен в качестве регулятора роста способствует улучшению морфогенеза растений в культуре in vitro и повышению эффективности клонального микроразмножения винограда за счет улучшения скорости роста на первом этапе культивирования и качественных характеристик растений.
Сравнение влияния препаратов Эмистим (прототип) и Мелафен, взятых в концентрации 10-7% на эффективность клонального микроразмножения винограда in vitro на 50-й день культивирования на примере сорта Цимладар приведены в таблице 5. Из результатов таблицы видно, что основные качественные показатели растений, в частности длина корней, величина ризогенной зоны, скорость роста, коэффициент полярности, высота растений и выход растений при использовании препарата Мелафен значительно лучше.
Таким образом, применение препарата Мелафен в качестве регулятора роста позволило увеличить приживаемость и развитие микрочеренков, сократить в среднем в 1,5-3 раза цикл развития микрочеренков, регенерацию их в растения; у регенерированных растений улучшить корнеобразование и развитие ризогенной зоны, рост и облиственность побегов, готовность растений к адаптации в нестерильные условия, выход растений с улучшенными качественными показателями и, в целом, повысить эффективность клонального микроразмножения винограда.
Необходимо отметить, что Мелафен проявляет неожиданное, неочевидное действие, выражающееся в улучшении качественных показателей растений при повторном субкультивировании, то есть имеет место «последействие» Мелафена. Оно выражается в том, что растения, выращенные на питательной среде с добавлением препарата Мелафен, которые были вновь расчеренкованы и высажены на питательную среду без Мелафена (осуществлено второе субкультивирование), также проявляют улучшенные качественные показатели. Проверка последействия Мелафена дала неожиданный четко выраженный результат (таблица 6). У растений, которые были выращены на питательной среде с Мелафеном в концентрациях 10-7, 10-9%, при повторной пересадке на свежую питательную среду без Мелафена отмечено улучшение корнеобразования и ростовых процессов. Длина ризогенной зоны увеличилась в 1,4-2,5 раза, высота растений в 1,3 раза, увеличилась скорость роста. Всё это способствовало тому, что растения через 47 дней по своим параметрам были готовы к адаптации, то есть имело место ускорение микроразмножения и, в целом, повышение эффективности клонального микроразмножения. Это делает возможным применение Мелафена не при каждом субкультивировании, а через раз: первое субкультивирование - питательная среда (ПС) + Мелафен, второе субкультивирование - ПС без Мелафена и т.д. Улучшение качественных характеристик растений способствует процессу адаптации (более высокий выход адаптированных растений) с хорошим состоянием растений. Крепкие, прямостоячие, хорошо облиственные побеги с темно-зелеными листьями способствуют быстрой адаптации растений к условиям открытого грунта при закладке базисных маточников.
Также было проведено исследование клонального микроразмножения винограда in vitro на примере сорта Баклановский с использованием питательной среды Мурасига и Скуга, содержащей препарат Мелафен в концентрациях 10-5, 10-7, 10-8, 10-9 без индолилуксусной кислоты (ИУК), где препарат Мелафен в вышеуказанных концентрациях был использован в качестве единственного росторегулирующего вещества. Индолилуксусная кислота в концентрации 0,1 мг/л без добавления препарата Мелафена в составе питательной среды Мурасига и Скуга являлась контролем. Результаты показали, что в контроле ризогенная зона достигает 7,7 см, а с Мелафеном в качестве единственного росторегулирующего вещества, - 9,0 см. Учет осуществляли через 40 дней. Через 70 дней учета ризогенная зона растений составила 12,1 см в присутствии Мелафена и 10,7 см в контроле. Высота и облиственность растений в обоих случаях были одинаковыми.
Это свидетельствует о возможности применения препарата Мелафен при клональном микроразмножении винограда in vitro и без индолилуксусной кислоты в питательной среде.
Таким образом, предложен новый способ клонального микроразмножения винограда in vitro с использованием нетоксичного, устойчивого во времени, водорастворимого, синтетического росторегулирующего препарата Мелафен, эффективного в концентрации 10-7-10-11%.
Использование предлагаемого способа позволяет увеличить выход растений за счет более эффективной приживаемости микрочеренков, регенерации растений и улучшения их качественных показателей. Учитывая низкую себестоимость препарата и высокий оказываемый эффект, применение заявляемого способа экономически обосновано.
Таблица 1 | |||||||
Влияние препарата Мелафен на показатели клонального микроразмножения винограда сорта Цимладар, 2013 г. | |||||||
Концентрации Мелафена, % | Приживаемость, % | Корни, шт. | Высота, см | Листьев, шт. | Скорость роста, см/сутки | ||
число, шт. | длина, см | ризогенная зона, см | |||||
23 дня культивирования | |||||||
Контроль | 96,4 | 3,0 | 3,0 | 9,0 | 2,7 | 3,0 | 0,12 |
10-5 | 78,6 | 3,3 | 2,6 | 8,4 | 2,9 | 3,0 | 0,13 |
10-7 | 100,0 | 4,6 | 5,9 | 27,4 | 4,4 | 4,3 | 0,19 |
10-9 | 100,0 | 4,3 | 3,6 | 15,2 | 4,3 | 3,8 | 0,19 |
10-11 | 100,0 | 3,1 | 3,6 | 11,1 | 4,3 | 3,8 | 0,19 |
48 дней культивирования | |||||||
Контроль | 92,9 | 4,9 | 4,2 | 20,3 | 8,9 | 7,2 | 0,19 |
10-5 | 71,4 | 4,2 | 4,7 | 19,7 | 9,2 | 7,8 | 0,19 |
10-7 | 100,0 | 5,5 | 5,8 | 31,9 | 10,6 | 8,9 | 0,22 |
10-9 | 100,0 | 4,6 | 5,5 | 25,6 | 10,5 | 9,0 | 0,22 |
10-11 | 100,0 | 4,4 | 4,2 | 18,5 | 10,0 | 9,7 | 0,20 |
Таблица 2 | |||||||
Влияние препарата Мелафен на показатели клонального микроразмножения винограда сорта Пухляковский, 2013 г. | |||||||
Концентрации Мелафена, % | Приживаемость, % | Корни | Высота, см | Листьев, шт. | Скорость роста, см/сутки | ||
Число, шт. | длина, см | ризогенная зона, см | |||||
30 дней культивирования | |||||||
Контроль | 92,9 | 3,5 | 4,5 | 16,0 | 5,9 | 5,6 | 0,19 |
10-5 | 100,0 | 2,3 | 4,7 | 10,8 | 5,9 | 5,8 | 0,20 |
10-7 | 96,4 | 3,5 | 4,3 | 15,1 | 6,1 | 5,8 | 0,20 |
10-9 | 100,0 | 2,5 | 5,5 | 13,8 | 5,7 | 5,6 | 0,20 |
10-11 | 96,4 | 3,3 | 5,4 | 17,8 | 6,1 | 5,8 | 0,20 |
60 дней культивирования | |||||||
Контроль | 92,9 | 4,2 | 5,4 | 22,7 | 12,0 | 12,4 | 0,20 |
10-3 | 100,0 | 3,1 | 5,6 | 17,3 | 12,2 | 12,6 | 0,20 |
10-7 | 92,9 | 3,7 | 5,5 | 20,3 | 12,7 | 12,2 | 0,21 |
10-9 | 100,0 | 3,3 | 5,7 | 18,8 | 12,3 | 12,8 | 0,20 |
10-11 | 96,4 | 3,4 | 6,7 | 22,8 | 12,0 | 12,9 | 0,20 |
Таблица 3 | |||||||
Влияние препарата Мелафен на показатели клонального микроразмножения винограда сорта Варюшкин, 2013 г. | |||||||
Концентрации Мелафена, % | Приживаемость, % | Корни | Высота, см | Листьев, шт. | Скорость роста, см/сутки | ||
число, шт. | длина, см | ризогенная зона, см | |||||
20 дней культивирования | |||||||
Контроль | 100,0 | 4,0 | 2,3 | 9,5 | 3,2 | 2,9 | 0,17 |
10-5 | 96,4 | 3,8 | 2,7 | 10,2 | 2,9 | 2,4 | 0,15 |
10-7 | 100,0 | 4,0 | 2,7 | 10,8 | 2,8 | 2,8 | 0,15 |
10-9 | 100,0 | 4,1 | 2,5 | 10,2 | 2,5 | 2,7 | 0,13 |
10-11 | 100,0 | 2,9 | 3,4 | 9,9 | 2,7 | 2,8 | 0,14 |
54 дней культивирования | |||||||
Контроль | 96,4 | 4,4 | 4,2 | 18,9 | 11,2 | 8,4 | 0,21 |
10-5 | 96,4 | 4,0 | 4,2 | 17,0 | 9,6 | 8,9 | 0,18 |
10-7 | 96,4 | 5,2 | 3,9 | 20,3 | 10,1 | 9,5 | 0,19 |
10-9 | 100,0 | 4,7 | 4,1 | 19,2 | 9,9 | 8,6 | 0,18 |
10-11 | 92,9 | 3,6 | 5,1 | 18,3 | 8,9 | 8,1 | 0,16 |
Таблица 4 | |||||||||
Состояние растений винограда сорта Пухляковский после 3-х месяцев культивирования на питательной среде с препаратом Мелафен, 2013 г. | |||||||||
Концентрации Мелафена, % | Корни | Побег | Листья | Коэффициент полярности | |||||
число, шт. | длина, см | ризогенная зона, см | длина, см | вес, мг | число, шт. | площадь, см | вес, мг | ||
Контроль | 3,8 | 41,1 | 156,2 | 15,4 | 0,05 | 12,1 | 35,4 | 0,05 | 10,1 |
10-5 | 2,9 | 32,4 | 93,9 | 15,4 | 0,04 | 12,8 | 38,6 | 0,04 | 6,1 |
10-7 | 2,7 | 35,0 | 94,5 | 15,1 | 0,05 | 13,2 | 31,8 | 0,05 | 6,2 |
10-9 | 2,7 | 32,2 | 86,9 | 16,2 | 0,05 | 14,5 | 29,8 | 0,04 | 5,3 |
10-11 | 4,7 | 47,0 | 220,9 | 15,9 | 0,06 | 15,9 | 32,7 | 0,05 | 13,8 |
Таблица 5 | ||
Влияние препарата Мелафен на эффективность клонального микроразмножения оздоровленных растений винограда сорта Цимладар, 2013 г. | ||
Показатели | Заявленное техническое решение, концентрация Мелафена 10-7% | Прототип, концентрация Эмистима 10-7% |
50 дней культивирования | ||
Число корней, штук | 5,5 | 8,3 |
Длина корней, см | 5,8 | 2,2 |
Величина ризогенной зоны, см | 31,9 | 18,2 |
Скорость роста см/сутки | 0,22 | 0,18 |
Коэффициент полярности | 3,0 | 2,0 |
Высота растений, см | 10,6 | 9,2 |
Число листьев, шт. | 8,9 | 6,9 |
Выход растений, % | 100,0 | 87,8 |
Таблица 6 | ||||||
Последействие препарата Мелафен на показатели клонального микроразмножения винограда сорта Пухляковский, 2013 г. | ||||||
Концентрации Мелафена, % | Корни | Высота растений, см | Скорость роста, см/день | Коэффициент полярности | ||
число, шт. | длина, см | ризогенная зона, см | ||||
47 дней культивирования | ||||||
Контроль | 4,6 | 3,3 | 15,0 | 6,0 | 0,12 | 2,5 |
10-5 | 4,4 | 3,1 | 14,0 | 5,7 | 0,12 | 2,4 |
10-7 | 5,0 | 5,3 | 26,5 | 7,6 | 0,16 | 3,4 |
10-9 | 5,4 | 6,3 | 34,1 | 7,6 | 0,16 | 4,5 |
Способ клонального микроразмножения винограда in vitro, включающий микрочеренкование пробирочных растений, высадку их на питательную среду в присутствии ростовых веществ и культивирование, отличающийся тем, что высадку и культивирование осуществляют на твердой питательной среде Мурсиге и Скуга, содержащей в качестве росторегулирующего вещества препарат Мелафен в концентрации 10-7-10-11 %.