Технология протопластов и соматическая гибридизация в семействе Apiaceae

   Семейство Зонтичные (Apiaceae) занимает значительную часть рынка, на котором в настоящее время преобладают перекрестноопыляемые сорта. Это приводит к отсутствию выровненности и неоптимальному качеству, что побуждает к созданию F1-гибридов. Проблемы селекции, связанные с ручной кастрацией цветков, заставили селекционеров использовать биотехнологические подходы, включая соматическую гибридизацию, которые используют признаки самонесовместимости и мужской стерильности. Технология протопластов и соматическая гибридизация стали ключевыми инструментами в генетическом улучшении и селекции культур семейства Apiaceae – таких, как морковь и сельдерей, которые имеют большое экономическое значение, но традиционно зависят от сортов открытого опыления. В статье рассматривается применение технологии слияния протопластов для получения соматических гибридов и цибридов, а также отбора in vitro по таким коммерчески ценным признакам, как ЦМС (цитоплазматическая мужская стерильность) и ГМС (генетическая мужская стерильность), которые имеют решающее значение для производства гибридных семян и интрогрессии признаков. Приводятся сведения о растительных материалах и тканях для выделения протопластов. Обычно в качестве источников используются молодые листья, гипокотиль или суспензионные культуры клеток, благодаря их высокой жизнеспособности и регенеративному потенциалу, а также различные ферментные смеси, используемые для переваривания клеточных стенок и выделения жизнеспособных протопластов. Этот всеобъемлющий обзор служит ценным источником информации для исследователей и селекционеров, стремящихся использовать технологию слияния протопластов для генетического улучшения культур семейства Apiaceae, что в конечном итоге будет способствовать повышению продуктивности сельского хозяйства и качества урожая.

1. Gao C. The future of CRISPR technologies in agriculture. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2018;19:275-276. doi: 10.1038/nrm.2018.2

2. Монахос С.Г., Воронина А.В., Байдина А.В., Зубко О.Н. Селекция растений на устойчивость – основа защиты от болезней в органическом земледелии // Картофель и овощи. 2019. № 6. С. 38-40. doi: 10.25630/PAV.2019.92.83.009

3. Gantai S., Mukherjee E., Jogam P., Babu K.H. et al. Improving crops through transgenic breeding – technological advances and prospects. Advances in Plant Tissue Culture. Current Developments and Future Trends. 2022;1:295-324. doi: 10.1016/B978-0-323-90795-8.00011-4

4. Godwin A., Pieralli S., Sofkova-Bobcheva S., McGill C. Natural genetic adaptation allows flexible reproductive behaviour: the case of wild carrot (Daucus carota L. subsp. carota) vs cultivated carrot (Daucus carota L. subsp. sativus). Crop & Pasture Science. 2025;76: CP24320. doi: 10.1071/CP24320

5. Loarca J., Liou M., Dawson J.C., Simon P.W. Advancing utilization of diverse global carrot (Daucus carota L.) germplasm with flowering habit trait ontology. Frontiers in Plant Science. 2024;15:1342513. doi: 10.3389/fpls.2024.1342513

6. Anisimova I.N., Gavrilenko T.A. Cytoplasmic male sterility and its use in hybrid breeding of crops. Genetics. 2020;56(11):1239-1249. doi: 10.18619/2658-4832-2020-1-10-22

7. Wang X., Luo Q., Li T., Meng P. et al. Origin, evolution, breeding, and omics of Apiaceae: a family of vegetables and medicinal plants. Horticulture Research. 2022;9: uhac076. doi: 10.1093/hr/uhac076

8. Алижанова Р.Р., Монахос С.Г., Монахос Г.Ф. Молекулярные маркеры в селекции лука репчатого // Картофель и овощи. 2019. № 2. С. 32-35. doi: 10.25630/PAV.2019.28.2.007

9. Quiros C.F., Rugama A., Dong Y.Y., Orton T.J. Cytological and genetical studies of a male sterile celery. Euphytica. 1986;3:867-875. doi: 10.1007/BF00028594

10. Gu Z.-H. Discovery and botanical characters of celery male sterile material. Tianjin Agricultural Sciences. 2006;12:9-11

11. Gao G., Jin L., Lu F., Lu Z. et al. Genetic characters of 01-3A male sterile celery. Journal of Changjiang Vegetables. 2009;14:21-23.

12. Cheng Q., Wang P., Li T., Liu J. et al. Complete mitochondrial genome sequence and identification of a candidate gene responsible for cytoplasmic male sterility in celery (Apium graveolens L.). International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(16):8584. doi: 10.3390/ijms22168584

13. Bruznican S., Eeckhaut T., Huylenbroeck J., Keyser A.D. et al. An asymmetric protoplast fusion and screening method for generating celeriac cybrids. Scientific Reports. 2021;1:4543. doi: 10.1038/s41598-021-83970-y

14. Simpson K., Stange C. Carrot protoplasts as a suitable method for protein subcellular localization. In: Methods in Enzymology. Wurtzel E.T. (Ed). 2022;671:273-283. doi: 10.1016/bs.mie.2022.03.006

15. Ranaware A.S., Kunchge N.S., Lele S.S., Ochatt S.J. Protoplast technology and somatic hybridisation in the family Apiaceae. Plants. 2023;12(5):1060. doi: 10.3390/plants12051060

16. Bruznican S., Eeckhaut T., Huylenbroeck J., Clercq D.H. et al. Regeneration of cell suspension derived Apium graveolens L. protoplasts. Plant Cell Tissue Organ Cult. 2017;1:163-174. doi: 10.1007/s11240-017-1273-9

17. Grzebelus E., Skop L. Effect of beta-lactam antibiotics on plant regeneration in carrot protoplast cultures. In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant. 2014;5:568-575. doi: 10.1007/s11627-014-9626-0

18. Maćkowska K., Jarosz A., Grzebelus E. Plant regeneration from leaf-derived protoplasts within the Daucus genus: effect of different conditions in alginate embedding and phytosulfokine application. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2014;2:241-252. doi: 10.1007/s11240-014-0436-1

19. Meyer C.M., Goldman I.L., Grzebelus E., Krysan P.J. Efficient production of transgene-free, gene-edited carrot plants via protoplast transformation. Plant Cell Reports. 2022;4:947-960. doi: 10.1007/s00299-022-02830-9

20. Ali M., Mujib A., Zafar N., Tonk D. Protoplast isolation and plant regeneration in two cultivated coriander varieties, Co-1 and RS. Biotechnologia. 2018;4:345-355. doi: 10.5114/bta.2018.79965

21. Tan F., Shen H., Wang S., Jink Z. et al. Preliminary study of asymmetric protoplast fusion between celery (Apium graveolens L.) and CMS carrot (Daucus carota L.). Acta Horticulturae. 2009;8:1169-1176

22. Han L., Zhou C., Shi J., Zhi D. et al. Ginsenoside Rb1 in asymmetric somatic hybrid calli of Daucus carota with Panax quinquefolius. Plant Cell Reports. 2009;4:627-638. doi: 10.1007/s00299-009-0674-6

23. Gieniec M., Siwek J., Oleszkiewicz T., Maćkowska K. et al. Real-time detection of somatic hybrid cells during electrofusion of carrot protoplasts with stably labelled mitochondria. Scientific Reports. 2020;10:18811. doi: 10.1038/s41598-020-75983-w

24. Joo S., Kariyawasam T., Kim M., Jin E. et al. Sex-linked deubiquitinase establishes uniparental transmission of chloroplast DNA. Nature Communications. 2022;13:1133. doi: 10.1038/s41467-022-28807-6

25. Flores-Tornero M., Sapeta H., Becker J.D. Improving the haploidization toolbox: maternal factors take the stage. Molecular Plant. 2023;16(4):651-653. doi: 10.1016/j.molp.2023.02.008

26. Begna T. Intergeneric somatic hybridization and its application to crop genetic improvement. International Journal of Research Studies in Agricultural Sciences. 2020;6:25-37. doi: 10.20431/2454-6224.0606004

27. Zubareva I.A., Vinogradova S.V., Gribova T.N., Monakhos S.G. et al. Genetic diversity of turnip mosaic virus and the mechanism of its transmission by brassica seeds. Biochemistry and Biophysics. 2013;1:119-122. doi: 10.1134/S1607672913030034

28. Lu L., Lim Y.P., Monakhos S.G., Yi S.Y. Early defense mechanisms of Brassica oleracea in response to attack by Xanthomonas campestris pv. campestris. Plants. 2021;10(12):2705. doi: 10.3390/plants10122705