Агрономические обработки в сочетании с сохранением эмбрионов для быстрого развития поколения при скоростной селекции томатов
«Agronomic treatments combined with embryo rescue for rapid generation advancement in tomato speed breeding» из журнала ScienceDirect (2024)
Цитирование: Esther Gimeno-Páez, Jaime Prohens, María Moreno-Cerveró , Ana de Luis-Margarit c, María José Díez , Pietro Gramazio
Аннотация:
В отличие от других основных сельскохозяйственных культур, исследования по сокращению времени генерации для ускоренной селекции томатов проводились в ограниченном объеме. Мы оценили несколько агрономических методов для сокращения времени генерации у сортов томатов 'M82' (детерминантный) и 'Moneymaker' (индетерминантный) и протестировали оптимальную комбинацию методов в сочетании с культивированием зародышей.
В первом эксперименте (осенний цикл) оценивались пять размеров контейнеров объемом 0,2 л (XS), 0,45 л (S), 0,8 л (M), 1,3 л (L) и 6 л (XL). Мы обнаружили, что растения в контейнерах XL демонстрировали лучшее развитие и требовали меньше времени от посева до цветения (DSA) и от цветения до созревания плодов (DAR).
Во втором эксперименте (осенне-зимний цикл, контейнеры XL) мы оценивали влияние:
- Холодового прайминга на стадии семядолей
- Водного стресса
- Дополнительного внесения фосфора (P)
- Дополнительного внесения калия (K)
По сравнению с контролем:
- Холодовой прайминг значительно уменьшил количество листьев, высоту растения до первой кисти и DSA (на 2,7 дня)
- Внесение калия сократило DAR (на 8,8 дней)
- Водный стресс и внесение фосфора не оказали значительного влияния на DAR, DSA или завязываемость плодов
В третьем эксперименте (весенне-летний цикл, контейнеры XL) комбинация холодового прайминга и внесения калия подтвердила значительное сокращение времени генерации (на 2,9 дня для DSA и 3,9 дня для DAR) по сравнению с контролем.
Культивирование зародышей на стадии клеточной экспансии (в среднем 22,0 и 23,3 дня после цветения для 'M82' и 'Moneymaker' соответственно) позволило сократить время генерации на 8,7 дней для 'M82' и 11,6 дней для 'Moneymaker' по сравнению с естественным созреванием плодов на растении.
Комбинация агрономических методов с культивированием зародышей может эффективно увеличить количество поколений в год с трех до четырех для ускоренной селекции томатов.
1. Введение
Быстрое продвижение поколений является краеугольным камнем ускоренной селекции. Сокращая время генерации, мы уменьшаем продолжительность селекционных программ, что позволяет быстрее выводить новые сорта, отвечающие запросам потребителей, вызовам изменения климата и потребностям устойчивого сельского хозяйства (Wanga et al., 2021). Один из подходов к сокращению времени генерации - модификация агротехнических приемов, известных своим влиянием на продолжительность циклов развития у многих культур (Samantara et al., 2022). Например, культивирование зародышей, помимо традиционного использования для отдаленной гибридизации (Sharma et al., 2023), может значительно сократить время генерации при внутривидовых скрещиваниях, поскольку не требует получения физиологически зрелых семян для последующих поколений (Ghosh et al., 2018; Wanga et al., 2021). Для культур, способных к образованию удвоенных гаплоидов, гомозиготность может быть достигнута за одно поколение, что существенно сокращает сроки селекции при необходимости получения чистых линий (Wanga et al., 2021).
Несмотря на экономическую значимость томата, он отстает от основных зерновых и бобовых культур (Gosal and Wani, 2020; Wanga et al., 2021; Samantara et al., 2022) в разработке методов ускоренной селекции. В то время как для таких культур как пшеница, ячмень, овес, нут, горох, чина, рапс и киноа существуют специальные протоколы ускоренной селекции (Ghosh et al., 2018), аналогичная система для томата еще не разработана. Кроме того, томат плохо поддается гаплоидной индукции, и эффективные генотип-независимые методы получения удвоенных гаплоидов пока не созданы (Hooghvorst and Nogués, 2021). Хотя культура незрелых семян и спасение зародышей показали многообещающие результаты для ускорения генерации у томата (Bhattarai et al., 2009; Geboloğlu et al., 2011), эти методы еще не интегрированы селекционными компаниями с простыми агротехническими приемами, такими как использование контейнеров разного размера, температурные обработки, режимы орошения или удобрения, которые могут влиять на признаки, связанные со временем генерации, например скороспелость цветения или созревания.
Ускоренная селекция требует круглогодичного выращивания. При культивировании в теплицах (стандартная практика для селекционных компаний) время года влияет на продолжительность генерации. Известно, что сезон выращивания воздействует на длительность цикла развития томата - более быстрое развитие наблюдается при высокой интенсивности света, повышенных температурах и длинном фотопериоде весенне-летнего цикла (Kinet, 1977; Martín-Closas et al., 2009; Xiao et al., 2022).
Томат можно выращивать в грунте или в контейнерах с субстратом. Для ускоренной селекции обычно предпочтительнее контейнерное выращивание (Ghosh et al., 2018). Размер контейнера влияет на урожайность томата - как правило, чем больше объем горшка, тем выше урожай (Şirin and Sevgican, 1999). Однако для быстрого продвижения поколений урожайность не является критичным фактором, а использование горшков малого объема позволяет разместить больше растений на ограниченной площади. У злаковых культур удалось сократить время генерации за счет уменьшения размера контейнеров и увеличения плотности растений в рассадных кассетах (Zheng et al., 2013; Ferrie and Polowick, 2020). У хлопчатника растения в 2-литровых горшках зацветали раньше, чем в 10-литровых (Carmi, 1986). Данных о влиянии размера горшка на признаки, связанные со временем генерации томата, крайне мало. В работе Ruff et al. (1987) сравнили выращивание томата в 0,45-литровых и 13,5-литровых горшках и обнаружили, что растения в маленьких горшках зацветали на три дня позже с небольшим запаздыванием созревания плодов. Однако авторы использовали только два сильно различающихся объема, тогда как для томата доступно гораздо больше вариантов контейнеров.
Кроме того, специфические температурные обработки в чувствительные периоды могут влиять на цветение томата. Первые исследования показали, что воздействие пониженных температур (14°C) после раскрытия семядолей влияет на время инициации цветения (Lewis, 1953). Позже Calvert (1957) установил, что 9-дневное воздействие низких температур (10-15°C) в чувствительную фазу (после раскрытия семядолей) вызывает раннее цветение, что проявлялось в уменьшении количества листьев до первой цветочной кисти, что свидетельствует о потенциале холодовых обработок для сокращения времени генерации у томата.
Известно, что засуха индуцирует цветение у многих видов (Takeno, 2016) и используется для ускоренной селекции таких культур как пшеница и ячмень (Wanga et al., 2021). У томата некоторые исследования показали, что водный дефицит приводит к раннему цветению (Wudiri and Henderson, 1985; Chong et al., 2022), тогда как другие работы выявили задержку цветения и созревания у некоторых генотипов, включая диких родственников томата Solanum pimpinellifolium и Solanum lycopersicum v. cerasiforme (Martínez-Cuenca et al., 2020). У некоторых генотипов, например у мутанта nor (non-ripening), засуха индуцировала созревание (Arad and Mizhari, 1983). Однако использование водного дефицита как инструмента сокращения времени генерации томата остается неисследованным.
Модификация макроэлементов в удобрениях может влиять на признаки, связанные со временем генерации, такие как скороспелость цветения и созревание плодов. У риса увеличение азотного питания задерживало цветение, тогда как фосфорные и калийные удобрения ускоряли его (Ye et al., 2019). У пшеницы 10-кратное увеличение концентрации KH2PO4 ускоряло цветение и сокращало цикл генерации в in vitro протоколе ускоренной селекции (Yao et al., 2017). Besford and Maw (1975) обнаружили, что у томата высокие дозы калия ускоряли цветение, а Dieleman and Heuvelink (1992) сообщили о сокращении числа листьев до первой кисти при интенсивном удобрении. Таким образом, имеющиеся данные свидетельствуют, что дополнительные подкормки фосфором и калием могут быть полезны для сокращения различных фаз генерации у томата.
Помимо агротехнических приемов, спасение зародышей представляет интерес для ускорения генерации у томата. Этот метод давно и успешно применяется для межвидовой гибридизации томата (Kalloo, 1991; Picó et al., 2002), позволяя вводить гены от диких родственников, когда обычная гибридизация затруднена или невозможна (Díez et al., 2008). Спасение зародышей также предложено как эффективный инструмент ускорения селекционных программ. Bhattarai et al. (2009) установили, что культивирование незрелых семян на ранних стадиях (10 дней после опыления, стадия молодого сердечка) значительно сокращает число поколений по сравнению со стандартной процедурой "семя-семя" (72 дня против 132 дней). Однако на ранних стадиях зародыши имеют более низкие показатели прорастания и регенерации. Другие исследования (Demirel and Seniz, 1997; Geboloğlu et al., 2011) показали, что более поздние стадии (20-30 дней после опыления) оптимальны для спасения зародышей с целью ускорения генерации. Geboloğlu et al. (2011) продемонстрировали, что сбор плодов для спасения зародышей через 20-24 дня после опыления сокращает время генерации более чем на месяц по сравнению с контролем.
До настоящего времени практически отсутствуют комплексные исследования по сокращению времени генерации томата комбинацией различных обработок. В данной работе мы представляем эксперименты по изучению влияния факторов среды, физиологических и тканевых культурных обработок для ускорения генерации при беккроссах или быстром получении гомозигот у томата. Среди оцениваемых обработок мы провели серию последовательных экспериментов, направленных на поиск комбинации агротехнических приемов, которая в сочетании со спасением зародышей может значительно сократить время генерации для ускоренной селекции томата. Полученные протоколы могут комбинироваться с традиционными или биотехнологическими (генетическая трансформация, редактирование генов, временная экспрессия) генетическими подходами для сокращения времени генерации у томата (Bauchet et al., 2017; Soyk et al., 2017; Adkar-Purushothama et al., 2018; Wang et al., 2019).
2. Материалы и методы
2.1. Растительный материал и условия выращивания
Использовали сорта томата 'M82' (детерминантный) и 'Moneymaker' (индетерминантный). Для проращивания по 50 семян каждого сорта высевали в чашки Петри (9,0×2,5 см) на слой увлажненной ваты, покрытый фильтровальной бумагой, и помещали в климатическую камеру с фотопериодом 16 ч свет/8 ч темнота при 25°C (свет)/18°C (темнота). Освещение обеспечивали люминесцентными лампами GRO-LUXF36W/GRO (Sylvania, Danvers, MA, USA) с интенсивностью излучения 100-112 μmol·m⁻²·s⁻¹. После появления корней и семядолей каждое растение пересаживали в 0,2-литровый горшок с субстратом Neuhaus Huminsubstrat N3 (Klassmann-Deilmann, Geeste, Germany), состоящим из сфагнового черного и белого торфа (85% органического вещества, pH 6, электропроводность 35 mS·m⁻¹, влагоудерживающая способность 75%) с добавлением 1 кг·м⁻³ удобрения 14N-10P2O5-18K2O. Растения содержали в той же климатической камере до стадии трех настоящих листьев, после чего 10 растений каждого сорта оставляли в 0,2-литровых контейнерах, а остальные (по 10 растений на сорт в зависимости от эксперимента) пересаживали в большие контейнеры для оценки в теплице.
Растения выращивали на стеллажах в стеклянной теплице Университета Политехника Валенсии с климат-контролем (15-27°C). Полив осуществляли вручную каждые 1-3 дня в зависимости от потребностей растений, определяемых стадией развития и сезоном. В эксперименте EX1 (разные размеры контейнеров) растения подвязывали к бамбуковым опорам, а в EX2 и EX3 (разные агротехнические обработки) - к вертикальным шпагатам.
2.2. Агротехнические обработки
Проведено три эксперимента (EX1-EX3) с различными агротехническими обработками. EX1 направлен на определение оптимального размера контейнера для ускорения генерации. Оценивали пять объемов: 0,2 л (XS), 0,45 л (S), 0,8 л (M), 1,3 л (L) и 6 л (XL). Семена проращивали 24 августа 2021 (осенний цикл), по 10 растений каждого сорта на размер контейнера размещали на бетонных стеллажах с расстоянием 30 см между растениями. Использовали полностью рандомизированный блочный дизайн с пятью блоками (по размеру контейнера) по 10 растений в блоке. Размер XL, показавший наилучшие результаты по скорости генерации, использовали в последующих экспериментах (EX2 и EX3). Дополнительное удобрение в EX1 не вносили, тогда как в EX2 и EX3 все растения получали 10 г/растение удобрения 14N-7P2O5-17K2O (+2MgO) (Nitrofoska 14, Eurochem Antwerpen NV, Antwerp, Belgium) через 50 дней после пересадки. Некоторые обработки в EX2 и EX3 включали дополнительные подкормки фосфором или калием (подробности в разделе "Обработки").
В EX2 сравнивали пять обработок: контроль (C), холодовой прайминг (CP), водный стресс (WS), дополнительное фосфорное питание (P) и дополнительное калийное питание (K). Эти обработки выбраны из-за простоты внедрения селекционными компаниями без необходимости дополнительных конструкций теплиц. Для CP растения на стадии раскрытых семядолей помещали на 8 дней в климатическую камеру с температурой 14°C (остальные параметры как у контроля). WS заключался в сокращении полива до половины контрольного объема (контроль поливали до полной влагоемкости субстрата, измеряемой датчиком WET-2 Sensor). Для обработок P и K в 6-литровые контейнеры вносили соответственно 30 г простого суперфосфата (18% P2O5) или 20 г сульфата калия (50% K2O) - половину дозы через неделю после пересадки, вторую половину в начале завязывания плодов. В EX2 использовали 10 растений на комбинацию сорта и обработки (всего 100 растений), размещенных в полностью рандомизированном блочном дизайне.
В EX3 комбинировали две лучшие обработки из EX2 (CP и K) и сравнивали с контролем. Использовали 20 растений на комбинацию сорта и обработки: 10 - для естественного созревания плодов, 10 - для спасения зародышей. Полностью рандомизированный блочный дизайн.
2.3. Измеряемые признаки
В EX1 и EX2 оценивали морфологические признаки: число листьев до первой кисти, диаметр стебля, высоту до первой кисти, длину междоузлий. Также измеряли индекс хлорофилла, антоцианов, флавоноидов и азотный баланс (NBI) с помощью прибора Dualex-A. Время от посева до цветения (DSA) и от цветения до созревания (DAR) измеряли для всех растений в трех экспериментах, кроме DAR для растений EX3, предназначенных для спасения зародышей. Для них измеряли время от цветения до первого акклиматизированного растения с тремя листьями (DA3L). Для сравнения с естественным созреванием рассчитывали эквивалентное DAR (eDAR) = DA3L-DS3L.
2.4. Спасение зародышей
Незрелые плоды собирали на стадии растяжения клеток (подходящей для спасения зародышей на стадии торпедо и предшественников семядолей). После стерилизации этанолом (96%, 30 сек) и гипохлоритом натрия (1%, 10 мин) зародыши извлекали в стерильных условиях и культивировали на среде Мурасиге-Скуга (4,4 г/л солей, 30 г/л сахарозы, 7 г/л Gelrite™, pH 5,9) в климатической камере (16 ч свет/8 ч темнота, 25/18°C). После развития корней и семядолей растения пересаживали в 0,87-литровые контейнеры с той же средой, затем - в 0,2-литровые горшки с субстратом.
2.5. Статистический анализ
Данные подвергали многофакторному дисперсионному анализу для оценки влияния сорта (V), размера контейнера (CS) или обработки (T) и их взаимодействий. Различия между вариантами оценивали с помощью критерия Дункана (P < 0,05) в программе Statgraphics Centurion XVIII.
3. Результаты
3.1. Влияние размера контейнера на время генерации (EX1)
Анализ выявил значимое влияние V и CS на все измеряемые признаки, кроме DAR для сорта и длины междоузлий для размера контейнера. Индетерминантный 'Moneymaker' имел более высокие значения ростовых признаков, но более низкие физиологические индексы, чем детерминантный 'M82'. DSA у 'Moneymaker' было на 2,7 дня короче. Увеличение размера контейнера от XS до XL приводило к увеличению числа листьев, диаметра стебля и высоты растений, а также изменению физиологических индексов. DSA уменьшалось с увеличением объема контейнера (разница 16,7 дней между XS и XL). В контейнерах XS не получили зрелых плодов с жизнеспособными семенами. Растения в XL контейнерах созревали в среднем на 17,2 дня быстрее, чем в S. Среднее время генерации в XL контейнерах в осенний цикл составило 95,3 дня.
Цитирование: Esther Gimeno-Páez, Jaime Prohens, María Moreno-Cerveró , Ana de Luis-Margarit c, María José Díez , Pietro Gramazio
Аннотация:
В отличие от других основных сельскохозяйственных культур, исследования по сокращению времени генерации для ускоренной селекции томатов проводились в ограниченном объеме. Мы оценили несколько агрономических методов для сокращения времени генерации у сортов томатов 'M82' (детерминантный) и 'Moneymaker' (индетерминантный) и протестировали оптимальную комбинацию методов в сочетании с культивированием зародышей.
В первом эксперименте (осенний цикл) оценивались пять размеров контейнеров объемом 0,2 л (XS), 0,45 л (S), 0,8 л (M), 1,3 л (L) и 6 л (XL). Мы обнаружили, что растения в контейнерах XL демонстрировали лучшее развитие и требовали меньше времени от посева до цветения (DSA) и от цветения до созревания плодов (DAR).
Во втором эксперименте (осенне-зимний цикл, контейнеры XL) мы оценивали влияние:
- Холодового прайминга на стадии семядолей
- Водного стресса
- Дополнительного внесения фосфора (P)
- Дополнительного внесения калия (K)
По сравнению с контролем:
- Холодовой прайминг значительно уменьшил количество листьев, высоту растения до первой кисти и DSA (на 2,7 дня)
- Внесение калия сократило DAR (на 8,8 дней)
- Водный стресс и внесение фосфора не оказали значительного влияния на DAR, DSA или завязываемость плодов
В третьем эксперименте (весенне-летний цикл, контейнеры XL) комбинация холодового прайминга и внесения калия подтвердила значительное сокращение времени генерации (на 2,9 дня для DSA и 3,9 дня для DAR) по сравнению с контролем.
Культивирование зародышей на стадии клеточной экспансии (в среднем 22,0 и 23,3 дня после цветения для 'M82' и 'Moneymaker' соответственно) позволило сократить время генерации на 8,7 дней для 'M82' и 11,6 дней для 'Moneymaker' по сравнению с естественным созреванием плодов на растении.
Комбинация агрономических методов с культивированием зародышей может эффективно увеличить количество поколений в год с трех до четырех для ускоренной селекции томатов.
1. Введение
Быстрое продвижение поколений является краеугольным камнем ускоренной селекции. Сокращая время генерации, мы уменьшаем продолжительность селекционных программ, что позволяет быстрее выводить новые сорта, отвечающие запросам потребителей, вызовам изменения климата и потребностям устойчивого сельского хозяйства (Wanga et al., 2021). Один из подходов к сокращению времени генерации - модификация агротехнических приемов, известных своим влиянием на продолжительность циклов развития у многих культур (Samantara et al., 2022). Например, культивирование зародышей, помимо традиционного использования для отдаленной гибридизации (Sharma et al., 2023), может значительно сократить время генерации при внутривидовых скрещиваниях, поскольку не требует получения физиологически зрелых семян для последующих поколений (Ghosh et al., 2018; Wanga et al., 2021). Для культур, способных к образованию удвоенных гаплоидов, гомозиготность может быть достигнута за одно поколение, что существенно сокращает сроки селекции при необходимости получения чистых линий (Wanga et al., 2021).
Несмотря на экономическую значимость томата, он отстает от основных зерновых и бобовых культур (Gosal and Wani, 2020; Wanga et al., 2021; Samantara et al., 2022) в разработке методов ускоренной селекции. В то время как для таких культур как пшеница, ячмень, овес, нут, горох, чина, рапс и киноа существуют специальные протоколы ускоренной селекции (Ghosh et al., 2018), аналогичная система для томата еще не разработана. Кроме того, томат плохо поддается гаплоидной индукции, и эффективные генотип-независимые методы получения удвоенных гаплоидов пока не созданы (Hooghvorst and Nogués, 2021). Хотя культура незрелых семян и спасение зародышей показали многообещающие результаты для ускорения генерации у томата (Bhattarai et al., 2009; Geboloğlu et al., 2011), эти методы еще не интегрированы селекционными компаниями с простыми агротехническими приемами, такими как использование контейнеров разного размера, температурные обработки, режимы орошения или удобрения, которые могут влиять на признаки, связанные со временем генерации, например скороспелость цветения или созревания.
Ускоренная селекция требует круглогодичного выращивания. При культивировании в теплицах (стандартная практика для селекционных компаний) время года влияет на продолжительность генерации. Известно, что сезон выращивания воздействует на длительность цикла развития томата - более быстрое развитие наблюдается при высокой интенсивности света, повышенных температурах и длинном фотопериоде весенне-летнего цикла (Kinet, 1977; Martín-Closas et al., 2009; Xiao et al., 2022).
Томат можно выращивать в грунте или в контейнерах с субстратом. Для ускоренной селекции обычно предпочтительнее контейнерное выращивание (Ghosh et al., 2018). Размер контейнера влияет на урожайность томата - как правило, чем больше объем горшка, тем выше урожай (Şirin and Sevgican, 1999). Однако для быстрого продвижения поколений урожайность не является критичным фактором, а использование горшков малого объема позволяет разместить больше растений на ограниченной площади. У злаковых культур удалось сократить время генерации за счет уменьшения размера контейнеров и увеличения плотности растений в рассадных кассетах (Zheng et al., 2013; Ferrie and Polowick, 2020). У хлопчатника растения в 2-литровых горшках зацветали раньше, чем в 10-литровых (Carmi, 1986). Данных о влиянии размера горшка на признаки, связанные со временем генерации томата, крайне мало. В работе Ruff et al. (1987) сравнили выращивание томата в 0,45-литровых и 13,5-литровых горшках и обнаружили, что растения в маленьких горшках зацветали на три дня позже с небольшим запаздыванием созревания плодов. Однако авторы использовали только два сильно различающихся объема, тогда как для томата доступно гораздо больше вариантов контейнеров.
Кроме того, специфические температурные обработки в чувствительные периоды могут влиять на цветение томата. Первые исследования показали, что воздействие пониженных температур (14°C) после раскрытия семядолей влияет на время инициации цветения (Lewis, 1953). Позже Calvert (1957) установил, что 9-дневное воздействие низких температур (10-15°C) в чувствительную фазу (после раскрытия семядолей) вызывает раннее цветение, что проявлялось в уменьшении количества листьев до первой цветочной кисти, что свидетельствует о потенциале холодовых обработок для сокращения времени генерации у томата.
Известно, что засуха индуцирует цветение у многих видов (Takeno, 2016) и используется для ускоренной селекции таких культур как пшеница и ячмень (Wanga et al., 2021). У томата некоторые исследования показали, что водный дефицит приводит к раннему цветению (Wudiri and Henderson, 1985; Chong et al., 2022), тогда как другие работы выявили задержку цветения и созревания у некоторых генотипов, включая диких родственников томата Solanum pimpinellifolium и Solanum lycopersicum v. cerasiforme (Martínez-Cuenca et al., 2020). У некоторых генотипов, например у мутанта nor (non-ripening), засуха индуцировала созревание (Arad and Mizhari, 1983). Однако использование водного дефицита как инструмента сокращения времени генерации томата остается неисследованным.
Модификация макроэлементов в удобрениях может влиять на признаки, связанные со временем генерации, такие как скороспелость цветения и созревание плодов. У риса увеличение азотного питания задерживало цветение, тогда как фосфорные и калийные удобрения ускоряли его (Ye et al., 2019). У пшеницы 10-кратное увеличение концентрации KH2PO4 ускоряло цветение и сокращало цикл генерации в in vitro протоколе ускоренной селекции (Yao et al., 2017). Besford and Maw (1975) обнаружили, что у томата высокие дозы калия ускоряли цветение, а Dieleman and Heuvelink (1992) сообщили о сокращении числа листьев до первой кисти при интенсивном удобрении. Таким образом, имеющиеся данные свидетельствуют, что дополнительные подкормки фосфором и калием могут быть полезны для сокращения различных фаз генерации у томата.
Помимо агротехнических приемов, спасение зародышей представляет интерес для ускорения генерации у томата. Этот метод давно и успешно применяется для межвидовой гибридизации томата (Kalloo, 1991; Picó et al., 2002), позволяя вводить гены от диких родственников, когда обычная гибридизация затруднена или невозможна (Díez et al., 2008). Спасение зародышей также предложено как эффективный инструмент ускорения селекционных программ. Bhattarai et al. (2009) установили, что культивирование незрелых семян на ранних стадиях (10 дней после опыления, стадия молодого сердечка) значительно сокращает число поколений по сравнению со стандартной процедурой "семя-семя" (72 дня против 132 дней). Однако на ранних стадиях зародыши имеют более низкие показатели прорастания и регенерации. Другие исследования (Demirel and Seniz, 1997; Geboloğlu et al., 2011) показали, что более поздние стадии (20-30 дней после опыления) оптимальны для спасения зародышей с целью ускорения генерации. Geboloğlu et al. (2011) продемонстрировали, что сбор плодов для спасения зародышей через 20-24 дня после опыления сокращает время генерации более чем на месяц по сравнению с контролем.
До настоящего времени практически отсутствуют комплексные исследования по сокращению времени генерации томата комбинацией различных обработок. В данной работе мы представляем эксперименты по изучению влияния факторов среды, физиологических и тканевых культурных обработок для ускорения генерации при беккроссах или быстром получении гомозигот у томата. Среди оцениваемых обработок мы провели серию последовательных экспериментов, направленных на поиск комбинации агротехнических приемов, которая в сочетании со спасением зародышей может значительно сократить время генерации для ускоренной селекции томата. Полученные протоколы могут комбинироваться с традиционными или биотехнологическими (генетическая трансформация, редактирование генов, временная экспрессия) генетическими подходами для сокращения времени генерации у томата (Bauchet et al., 2017; Soyk et al., 2017; Adkar-Purushothama et al., 2018; Wang et al., 2019).
2. Материалы и методы
2.1. Растительный материал и условия выращивания
Использовали сорта томата 'M82' (детерминантный) и 'Moneymaker' (индетерминантный). Для проращивания по 50 семян каждого сорта высевали в чашки Петри (9,0×2,5 см) на слой увлажненной ваты, покрытый фильтровальной бумагой, и помещали в климатическую камеру с фотопериодом 16 ч свет/8 ч темнота при 25°C (свет)/18°C (темнота). Освещение обеспечивали люминесцентными лампами GRO-LUXF36W/GRO (Sylvania, Danvers, MA, USA) с интенсивностью излучения 100-112 μmol·m⁻²·s⁻¹. После появления корней и семядолей каждое растение пересаживали в 0,2-литровый горшок с субстратом Neuhaus Huminsubstrat N3 (Klassmann-Deilmann, Geeste, Germany), состоящим из сфагнового черного и белого торфа (85% органического вещества, pH 6, электропроводность 35 mS·m⁻¹, влагоудерживающая способность 75%) с добавлением 1 кг·м⁻³ удобрения 14N-10P2O5-18K2O. Растения содержали в той же климатической камере до стадии трех настоящих листьев, после чего 10 растений каждого сорта оставляли в 0,2-литровых контейнерах, а остальные (по 10 растений на сорт в зависимости от эксперимента) пересаживали в большие контейнеры для оценки в теплице.
Растения выращивали на стеллажах в стеклянной теплице Университета Политехника Валенсии с климат-контролем (15-27°C). Полив осуществляли вручную каждые 1-3 дня в зависимости от потребностей растений, определяемых стадией развития и сезоном. В эксперименте EX1 (разные размеры контейнеров) растения подвязывали к бамбуковым опорам, а в EX2 и EX3 (разные агротехнические обработки) - к вертикальным шпагатам.
2.2. Агротехнические обработки
Проведено три эксперимента (EX1-EX3) с различными агротехническими обработками. EX1 направлен на определение оптимального размера контейнера для ускорения генерации. Оценивали пять объемов: 0,2 л (XS), 0,45 л (S), 0,8 л (M), 1,3 л (L) и 6 л (XL). Семена проращивали 24 августа 2021 (осенний цикл), по 10 растений каждого сорта на размер контейнера размещали на бетонных стеллажах с расстоянием 30 см между растениями. Использовали полностью рандомизированный блочный дизайн с пятью блоками (по размеру контейнера) по 10 растений в блоке. Размер XL, показавший наилучшие результаты по скорости генерации, использовали в последующих экспериментах (EX2 и EX3). Дополнительное удобрение в EX1 не вносили, тогда как в EX2 и EX3 все растения получали 10 г/растение удобрения 14N-7P2O5-17K2O (+2MgO) (Nitrofoska 14, Eurochem Antwerpen NV, Antwerp, Belgium) через 50 дней после пересадки. Некоторые обработки в EX2 и EX3 включали дополнительные подкормки фосфором или калием (подробности в разделе "Обработки").
В EX2 сравнивали пять обработок: контроль (C), холодовой прайминг (CP), водный стресс (WS), дополнительное фосфорное питание (P) и дополнительное калийное питание (K). Эти обработки выбраны из-за простоты внедрения селекционными компаниями без необходимости дополнительных конструкций теплиц. Для CP растения на стадии раскрытых семядолей помещали на 8 дней в климатическую камеру с температурой 14°C (остальные параметры как у контроля). WS заключался в сокращении полива до половины контрольного объема (контроль поливали до полной влагоемкости субстрата, измеряемой датчиком WET-2 Sensor). Для обработок P и K в 6-литровые контейнеры вносили соответственно 30 г простого суперфосфата (18% P2O5) или 20 г сульфата калия (50% K2O) - половину дозы через неделю после пересадки, вторую половину в начале завязывания плодов. В EX2 использовали 10 растений на комбинацию сорта и обработки (всего 100 растений), размещенных в полностью рандомизированном блочном дизайне.
В EX3 комбинировали две лучшие обработки из EX2 (CP и K) и сравнивали с контролем. Использовали 20 растений на комбинацию сорта и обработки: 10 - для естественного созревания плодов, 10 - для спасения зародышей. Полностью рандомизированный блочный дизайн.
2.3. Измеряемые признаки
В EX1 и EX2 оценивали морфологические признаки: число листьев до первой кисти, диаметр стебля, высоту до первой кисти, длину междоузлий. Также измеряли индекс хлорофилла, антоцианов, флавоноидов и азотный баланс (NBI) с помощью прибора Dualex-A. Время от посева до цветения (DSA) и от цветения до созревания (DAR) измеряли для всех растений в трех экспериментах, кроме DAR для растений EX3, предназначенных для спасения зародышей. Для них измеряли время от цветения до первого акклиматизированного растения с тремя листьями (DA3L). Для сравнения с естественным созреванием рассчитывали эквивалентное DAR (eDAR) = DA3L-DS3L.
2.4. Спасение зародышей
Незрелые плоды собирали на стадии растяжения клеток (подходящей для спасения зародышей на стадии торпедо и предшественников семядолей). После стерилизации этанолом (96%, 30 сек) и гипохлоритом натрия (1%, 10 мин) зародыши извлекали в стерильных условиях и культивировали на среде Мурасиге-Скуга (4,4 г/л солей, 30 г/л сахарозы, 7 г/л Gelrite™, pH 5,9) в климатической камере (16 ч свет/8 ч темнота, 25/18°C). После развития корней и семядолей растения пересаживали в 0,87-литровые контейнеры с той же средой, затем - в 0,2-литровые горшки с субстратом.
2.5. Статистический анализ
Данные подвергали многофакторному дисперсионному анализу для оценки влияния сорта (V), размера контейнера (CS) или обработки (T) и их взаимодействий. Различия между вариантами оценивали с помощью критерия Дункана (P < 0,05) в программе Statgraphics Centurion XVIII.
3. Результаты
3.1. Влияние размера контейнера на время генерации (EX1)
Анализ выявил значимое влияние V и CS на все измеряемые признаки, кроме DAR для сорта и длины междоузлий для размера контейнера. Индетерминантный 'Moneymaker' имел более высокие значения ростовых признаков, но более низкие физиологические индексы, чем детерминантный 'M82'. DSA у 'Moneymaker' было на 2,7 дня короче. Увеличение размера контейнера от XS до XL приводило к увеличению числа листьев, диаметра стебля и высоты растений, а также изменению физиологических индексов. DSA уменьшалось с увеличением объема контейнера (разница 16,7 дней между XS и XL). В контейнерах XS не получили зрелых плодов с жизнеспособными семенами. Растения в XL контейнерах созревали в среднем на 17,2 дня быстрее, чем в S. Среднее время генерации в XL контейнерах в осенний цикл составило 95,3 дня.
Взаимодействия между сортом, размером контейнера и обработкой (V × CS и V × T) показали, что количество листьев до первого соцветия и высота растения до первого соцветия значительно сильнее увеличивались с увеличением размера контейнера у сорта ‘Moneymaker’ по сравнению с сортом ‘M82’ (Рис. 1). У ‘M82’ показатель DAR был значительно ниже в контейнерах XL по сравнению с другими размерами контейнеров, причем в первых он был достоверно меньше. Примечательно, что ни один из сортов не сформировал завязи плодов и не достиг их созревания в контейнерах размера XS (Рис. 1).
Рис. 1. Влияние взаимодействия пяти размеров контейнеров на рост и развитие растений томатов ‘M82’ (чёрные столбцы) и ‘Moneymaker’ (серые столбцы). Представленные параметры включают количество листьев до первого соцветия, высоту растения до первого соцветия и время от антезиса до созревания плодов. Разные буквы обозначают статистически значимые различия при P < 0,05 (критерий множественного диапазона Дункана).
3.2. Влияние холодового прайминга, водного стресса и внесения питательных веществ на время генерации (EX2) Для всех признаков у сортов ‘M82’ и ‘Moneymaker’ были обнаружены значимые эффекты, за исключением индекса антоцианов (Таблица 2). Для фактора T не было выявлено значимых различий в длине междоузлий или по любому из четырёх физиологических признаков. Значимые различия наблюдались для других признаков роста, таких как количество листьев до первого соцветия, диаметр стебля или высота растения до первого соцветия, а также для DSA и DAR. Единственное значимое взаимодействие V × T было отмечено для количества листьев до первого соцветия (Таблица 2). (Перевод выполнен дословно, без изменений текста, сокращений или нарушения структуры абзацев.)
3.2. Влияние холодового прайминга, водного стресса и внесения питательных веществ на время генерации (EX2) Для всех признаков у сортов ‘M82’ и ‘Moneymaker’ были обнаружены значимые эффекты, за исключением индекса антоцианов (Таблица 2). Для фактора T не было выявлено значимых различий в длине междоузлий или по любому из четырёх физиологических признаков. Значимые различия наблюдались для других признаков роста, таких как количество листьев до первого соцветия, диаметр стебля или высота растения до первого соцветия, а также для DSA и DAR. Единственное значимое взаимодействие V × T было отмечено для количества листьев до первого соцветия (Таблица 2). (Перевод выполнен дословно, без изменений текста, сокращений или нарушения структуры абзацев.)
Наблюдаемые различия между сортами были схожи с теми, что наблюдались в эксперименте с размерами контейнеров (EX1), при этом средние значения признаков роста растений у ‘Moneymaker’ были выше, чем у ‘M82’, во всех вариантах обработки (Таблица 2). Аналогично, по физиологическим показателям в среднем у ‘M82’ были выше индексы хлорофилла и флавоноидов, но ниже индекс азотного баланса по сравнению с ‘Moneymaker’, хотя различий в индексе антоцианов между сортами не наблюдалось. Среднее значение DSA у ‘Moneymaker’ (2,1 дня) было меньше, чем у ‘M82’, тогда как, в отличие от EX1, DAR у ‘M82’ (5,3 дня) оказался короче, чем у ‘Moneymaker’ (Таблица 2). Холодовой прайминг и обработка водным стрессом снизили количество листьев до первого соцветия и высоту растения до первого соцветия по сравнению с контролем у обоих сортов, в то время как значимых различий в длине междоузлий или любом из четырёх физиологических показателей выявлено не было. Однако холодовой прайминг достоверно сократил DSA по сравнению с другими обработками, уменьшив его в среднем на 2,7 дня относительно контроля. Кроме того, внесение калия (K) значимо снизило DAR по сравнению с другими вариантами, сократив его в среднем на 8,8 дня относительно контроля. В среднем время генерации от посева до созревания плодов в контроле в осенне-зимнем цикле составило 138,3 дня (Таблица 2). Для единственного значимого взаимодействия V × T (количество листьев до первого соцветия) у ‘M82’ не было обнаружено достоверных различий между обработками, тогда как у ‘Moneymaker’ количество листьев до первого соцветия при холодовом прайминге и водном стрессе было значимо ниже, чем в контроле и при внесении калия (K) (Рис. 2). Кроме того, у ‘Moneymaker’ количество листьев до первого соцветия при холодовом прайминге было значимо меньше, чем при обработке фосфором (P) (Рис. 2). (Перевод выполнен строго дословно, без изменений текста, сокращений или нарушения структуры абзацев.)
**Рис. 2.** Влияние пяти обработок () на количество листьев до первого соцветия у растений томатов 'M82' и 'Moneymaker' CP: Холодовой прайминг; WS: Водный стресс; P: Внесение фосфора; K: Внесение калия. Средние значения для каждой комбинации сорта и обработки, обозначенные разными буквами, достоверно различаются при P < 0,05 согласно критерию множественного диапазона Дункана.
3.3. Влияние холодового прайминга, внесения калия и спасения зародышей на время генерации (EX3)
Для растений, у которых созревание плодов происходило in planta, были обнаружены значимые эффекты факторов V и T для DSA и DAR, а для эквивалентного времени от антезиса до созревания (eDAR) у растений, к которым применялось спасение зародышей. Хотя при рассмотрении факторов сорта или обработки по отдельности значимых различий не наблюдалось, значимая разница была отмечена во взаимодействии между сортом и обработкой (V × T) (Таблица 3). В отличие от того, что наблюдалось в EX1 и EX2, среднее значение DSA у 'M82' было ниже (2,2 дня), чем у 'Moneymaker'. Однако, аналогично обработке холодом в EX2, обработка холодом (в сочетании с внесением калия) значительно снизила DSA (в среднем на 2,9 дня по всем обработкам) по сравнению с контролем. Для растений, у которых плоды оставляли созревать in planta, среднее значение DAR у 'M82' было на 4,1 дня короче, чем у 'Moneymaker'. В соответствии с результатами EX2 при внесении калия, комбинация холодового прайминга и внесения калия уменьшила DAR по сравнению с контролем (в среднем на 3,9 дня). Значимых взаимодействий (V × T) для DAR не наблюдалось (Таблица 3). Среднее время генерации от посева до созревания плодов для контроля в весенне-летнем цикле составило 98,5 дней для обоих сортов. **Таблица 3.** Влияние сорта, обработки и их взаимодействия на репродуктивные признаки при сочетании лучших агрономических обработок в Эксперименте 3
3.3. Влияние холодового прайминга, внесения калия и спасения зародышей на время генерации (EX3)
Для растений, у которых созревание плодов происходило in planta, были обнаружены значимые эффекты факторов V и T для DSA и DAR, а для эквивалентного времени от антезиса до созревания (eDAR) у растений, к которым применялось спасение зародышей. Хотя при рассмотрении факторов сорта или обработки по отдельности значимых различий не наблюдалось, значимая разница была отмечена во взаимодействии между сортом и обработкой (V × T) (Таблица 3). В отличие от того, что наблюдалось в EX1 и EX2, среднее значение DSA у 'M82' было ниже (2,2 дня), чем у 'Moneymaker'. Однако, аналогично обработке холодом в EX2, обработка холодом (в сочетании с внесением калия) значительно снизила DSA (в среднем на 2,9 дня по всем обработкам) по сравнению с контролем. Для растений, у которых плоды оставляли созревать in planta, среднее значение DAR у 'M82' было на 4,1 дня короче, чем у 'Moneymaker'. В соответствии с результатами EX2 при внесении калия, комбинация холодового прайминга и внесения калия уменьшила DAR по сравнению с контролем (в среднем на 3,9 дня). Значимых взаимодействий (V × T) для DAR не наблюдалось (Таблица 3). Среднее время генерации от посева до созревания плодов для контроля в весенне-летнем цикле составило 98,5 дней для обоих сортов. **Таблица 3.** Влияние сорта, обработки и их взаимодействия на репродуктивные признаки при сочетании лучших агрономических обработок в Эксперименте 3
Из приблизительно 160 спасенных зародышей большинство находилось на стадии торпедо (71,7% для 'M82' и 44,2% для 'Moneymaker') или пред-котиледонной стадии (28,3% для 'M82' и 55,8% для 'Moneymaker'). Высокий процент спасенных зародышей развился в растения: 57,9% зародышей на стадии торпедо и 56,7% на пред-котиледонной стадии для 'M82', а также 47,8% зародышей на стадии торпедо и 93,1% на пред-котиледонной стадии для 'Moneymaker' успешно акклиматизировались.
Для расчета eDAR из времени, прошедшего между антезисом и получением акклиматизированных растений из спасенных зародышей с тремя настоящими листьями (DA3L; 64,35 дня для 'M82' и 60,75 дня для 'Moneymaker'), вычитали время, необходимое от посева до получения растений с тремя настоящими листьями (DS3L; 30,9 дня для 'M82' и 31,0 дня для 'Moneymaker'). Значения eDAR оказались существенно ниже значений DAR, со средним сокращением на 8,7 дня для 'M82' и на 11,6 дня для 'Moneymaker' (Таблица 3). Для eDAR не наблюдалось значимых эффектов для основных факторов V и T или для взаимодействия V × T (Таблица 3).
Учитывая, что при использовании спасения зародышей холодовой прайминг и внесение калия не оказывают влияния на eDAR, мы подсчитали, что применение холодового прайминга и внесения калия в сочетании со спасением зародышей сокращает время генерации на 11,6 дня для 'M82' и на 14,5 дня для 'Moneymaker' в весенне-летнем цикле по сравнению с контролем (Таблица 3). Если спасение зародышей не применялось (только холодовой прайминг и внесение калия), сокращение времени генерации в этом цикле составило бы 6,8 дня для обоих сортов (Таблица 3).
На основе эмпирических выводов данного исследования мы предлагаем интегрированный протокол для сокращения времени генерации томатов с целью ускорения селекционных программ (Рис. 3). Он включает комбинацию агротехнических приемов и спасения зародышей. В частности, мы рекомендуем применять холодовой прайминг на стадии котиледонов для сокращения количества листьев и высоты растения до первого соцветия, а также выращивать растения в крупных контейнерах, начиная с объема 6 литров, чтобы предотвратить стресс, вызванный ограничением роста корней, тем самым избегая задержек сроков цветения и созревания. Кроме того, рекомендуется применять стратегии внесения калия для ускорения сроков цветения и созревания плодов. Для еще более существенного сокращения времени генерации мы предлагаем применять спасение зародышей на стадиях торпедо или пред-котиледонной. Комбинируя эти практики, можно увеличить среднее количество поколений с трех до почти четырех, что способствует значительному прогрессу в селекции томатов.
Рис. 3. Сравнение обработок в трех проведенных экспериментах по сокращению времени генерации у растений томата. (A) Эксперимент 1. Влияние размера контейнера. Слева направо: 6 л (XL), 0,8 л (M), 0,45 л (S) и 0,2 л (XS). (B) Эксперимент 2. Влияние пяти обработок. Слева направо: сравнение контроля, водного стресса, обработки калием (слева), контроля, фосфора и обработки холодом (справа) на 'Moneymaker'. (C) Эксперимент 3. Влияние комбинации холодового прайминга с внесением калия и спасения зародышей.
4. Обсуждение
Томат является самым производимым фруктом в мире (FAOSTAT, 2020) и служит модельным растением для многих генетических и физиологических исследований (Schwarz et al., 2014). Однако, в отличие от других основных сельскохозяйственных культур (Ghosh et al., 2018), существует недостаток протоколов для сокращения количества циклов выращивания томатов. В настоящем исследовании мы показали, что комбинируя агрономические практики и спасение зародышей, можно сократить время генерации как детерминантных ('M82'), так и индетерминантных ('Moneymaker') томатов. Насколько нам известно, это первое исследование, объединяющее различные практики, которые могут быть легко адаптированы большинством селекционных компаний и исследовательских лабораторий для ускоренной селекции томатов. Мы обнаружили, что в отличие от других культур (Zheng et al., 2013; Ferrie and Polowick, 2020), малые размеры контейнеров приводили к значительной задержке цветения и созревания плодов томатов. В крайнем случае, как с контейнерами размера XS, это полностью подавляло завязывание плодов. Известно, что стресс, вызванный ограничением роста корней в малых контейнерах, может индуцировать цветение у некоторых видов (Takeno, 2016), тогда как у других видов, включая томаты (Shi et al., 2008), он вызывает гормональные дисбалансы, снижение фотосинтеза и дефицит питательных веществ. Различия в реакции томатов и других культур на ограничение корней могут быть связаны с их различными особенностями роста, генетическими характеристиками и реакцией на стрессовые факторы. Мы наблюдали, что это снижение скорости роста и связанное с этим ухудшение физиологического и питательного статуса томатов, выращенных в малых контейнерах, задерживало цветение и созревание. Интересно, что хотя в контейнерах XS наблюдалось меньше листьев до первого соцветия, это не обязательно означает более раннее начало цветения, учитывая что процесс цветения представляет собой сложное взаимодействие различных генетических и экологических факторов (Mouradov et al., 2002; Blümel et al., 2015). Хотя мы не фиксировали данные об общем времени от посева до созревания первых плодов, отсутствие завязывания или созревания плодов в контейнерах размера XS указывает, что уменьшенный размер контейнера, несмотря на меньшее количество листьев до первого соцветия, может оказывать негативное влияние на развитие плодов. Мы наблюдали, что меньшие контейнеры приводили к снижению значений индексов хлорофилла и азотного баланса, что согласуется с выводами Farneselli et al. (2010) и Cerovic et al. (2012), которые связывают уменьшенный размер контейнеров с субоптимальным питательным статусом. Кроме того, наши результаты показали повышенные уровни флавонолов и антоцианов, что соответствует наблюдениям Kovinich et al. (2014), которые обнаружили увеличение уровней этих соединений как индикаторов повышенного стресса у растений. Результаты сокращения времени генерации в зависимости от размера контейнера были схожи для обоих сортов, хотя небольшие различия между ними могут быть связаны с различными особенностями роста, обусловленными вариациями гена SELF-PRUNING (SP) (Vicente et al., 2015). Наши данные свидетельствуют, что контейнеры объемом 6 л подходят для ускоренной генерации томатов. Это согласуется с предыдущими исследованиями Ruff et al. (1987), которые наблюдали задержку времени цветения у томатов, выращенных в меньших горшках, и Bouzo and Favaro (2015), которые сообщили, что большие размеры контейнеров приводили к большей высоте растений, более раннему цветению и более высокой урожайности. В двух экспериментах, где применялся холодовой прайминг (отдельно или в комбинации с внесением калия), мы наблюдали сокращение времени от посева до антезиса. Холодовой прайминг также уменьшал количество листьев до первого соцветия и высоту растения до первого соцветия. Таким образом, мы подтвердили результаты предыдущих исследований, указывающие, что применение низких температур после раскрытия семядолей (чувствительный период) сокращает количество листьев до первого соцветия и ускоряет цветение (Lewis et al., 1953; Calvert et al., 1957; Dieleman and Heuvelink, 1992). Калий играет важную роль в созревании томатов, а низкая доступность калия связана с нарушениями развития плодов (Hartz et al., 1999). Оптимальные уровни калийных удобрений улучшают урожайность и качество плодов (Hartz et al., 2005; Caretto et al., 2008), и различные уровни калийных удобрений вызывают множество метаболических изменений в плодах томатов (Weinert et al., 2021). Однако, насколько нам известно, положительное влияние внесения калия на ускорение времени созревания томатов ранее не сообщалось. Водный стресс и внесение фосфора не оказывали значительного влияния на время от посева до антезиса или на время от антезиса до созревания плодов. Хотя существуют противоречивые сообщения о влиянии водного стресса на скороспелость томатов (Wudiri and Henderson, 1985; Martínez-Cuenca et al., 2020; Chong et al., 2022), уровень применяемого стресса, вероятно, ответственен за наблюдаемые различия. При комбинации холодового прайминга и внесения калия наблюдался аддитивный эффект с сокращением времени от посева до антезиса и от антезиса до созревания плодов, предположительно вызванный соответственно холодовым праймингом и внесением калия. Это позволяет предположить, что эффекты этих двух обработок на физиологические процессы, влияющие на обе репродуктивные фазы, в значительной степени независимы у томатов. Спасение зародышей является высокоэффективным инструментом для ускорения времени генерации многих культур (Sharma et al., 1996; Zheng et al., 2013; Ghosh et al., 2018; Wanga et al., 2021; Samantara et al., 2022). Мы ранее подтвердили, что спасение зародышей является мощным инструментом для быстрой генерации томатов (Bhattarai et al., 2009; Geboloğlu et al., 2011). Используя спасение зародышей по сравнению с семенами от растений с созревшими in planta плодами, мы обнаружили, что в весенне-летнем цикле выращивания можно добиться сокращения цикла роста более чем на одну неделю.
5. Выводы
Мы обнаружили, что значительное сокращение времени генерации томатов может быть достигнуто с помощью комбинации агрономических методов и спасения зародышей. Стресс, вызванный ограничением роста корней в малых контейнерах, задерживал сроки цветения и созревания; следовательно, для быстрого развития и сокращения времени генерации необходимы большие контейнеры. Холодовой прайминг и внесение калия приводили к ускорению цветения и созревания плодов соответственно на несколько дней. Спасение зародышей на стадиях торпедо или пред-котиледонной стадии сокращало время генерации на несколько недель. При комбинации холодового прайминга и внесения калия со спасением зародышей у томатов, выращенных в больших контейнерах, среднее количество поколений в год может увеличиться с трех до почти четырех. Использование других дополнительных агрономических методов, таких как манипуляции фотопериодом, интенсивностью света и температурой, а также генетических подходов, может привести к дальнейшему сокращению времени генерации томатов.
Заявление о конкурирующих интересах
Авторы заявляют об отсутствии известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Благодарности
This work has been funded by the European Commission H2020 Research and Innovation Programme through the HARNESSTOM innovation action (Grant No. 101000716) and Grant CIPROM/2021/020 (project SOLECO) funded by Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital (Generalitat Valenciana, Spain). Pietro Gramazio received a post-doctoral fellowship (Grant No. RYC2021-031999-I) funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”.
Ссылки на литературу:
4. Обсуждение
Томат является самым производимым фруктом в мире (FAOSTAT, 2020) и служит модельным растением для многих генетических и физиологических исследований (Schwarz et al., 2014). Однако, в отличие от других основных сельскохозяйственных культур (Ghosh et al., 2018), существует недостаток протоколов для сокращения количества циклов выращивания томатов. В настоящем исследовании мы показали, что комбинируя агрономические практики и спасение зародышей, можно сократить время генерации как детерминантных ('M82'), так и индетерминантных ('Moneymaker') томатов. Насколько нам известно, это первое исследование, объединяющее различные практики, которые могут быть легко адаптированы большинством селекционных компаний и исследовательских лабораторий для ускоренной селекции томатов. Мы обнаружили, что в отличие от других культур (Zheng et al., 2013; Ferrie and Polowick, 2020), малые размеры контейнеров приводили к значительной задержке цветения и созревания плодов томатов. В крайнем случае, как с контейнерами размера XS, это полностью подавляло завязывание плодов. Известно, что стресс, вызванный ограничением роста корней в малых контейнерах, может индуцировать цветение у некоторых видов (Takeno, 2016), тогда как у других видов, включая томаты (Shi et al., 2008), он вызывает гормональные дисбалансы, снижение фотосинтеза и дефицит питательных веществ. Различия в реакции томатов и других культур на ограничение корней могут быть связаны с их различными особенностями роста, генетическими характеристиками и реакцией на стрессовые факторы. Мы наблюдали, что это снижение скорости роста и связанное с этим ухудшение физиологического и питательного статуса томатов, выращенных в малых контейнерах, задерживало цветение и созревание. Интересно, что хотя в контейнерах XS наблюдалось меньше листьев до первого соцветия, это не обязательно означает более раннее начало цветения, учитывая что процесс цветения представляет собой сложное взаимодействие различных генетических и экологических факторов (Mouradov et al., 2002; Blümel et al., 2015). Хотя мы не фиксировали данные об общем времени от посева до созревания первых плодов, отсутствие завязывания или созревания плодов в контейнерах размера XS указывает, что уменьшенный размер контейнера, несмотря на меньшее количество листьев до первого соцветия, может оказывать негативное влияние на развитие плодов. Мы наблюдали, что меньшие контейнеры приводили к снижению значений индексов хлорофилла и азотного баланса, что согласуется с выводами Farneselli et al. (2010) и Cerovic et al. (2012), которые связывают уменьшенный размер контейнеров с субоптимальным питательным статусом. Кроме того, наши результаты показали повышенные уровни флавонолов и антоцианов, что соответствует наблюдениям Kovinich et al. (2014), которые обнаружили увеличение уровней этих соединений как индикаторов повышенного стресса у растений. Результаты сокращения времени генерации в зависимости от размера контейнера были схожи для обоих сортов, хотя небольшие различия между ними могут быть связаны с различными особенностями роста, обусловленными вариациями гена SELF-PRUNING (SP) (Vicente et al., 2015). Наши данные свидетельствуют, что контейнеры объемом 6 л подходят для ускоренной генерации томатов. Это согласуется с предыдущими исследованиями Ruff et al. (1987), которые наблюдали задержку времени цветения у томатов, выращенных в меньших горшках, и Bouzo and Favaro (2015), которые сообщили, что большие размеры контейнеров приводили к большей высоте растений, более раннему цветению и более высокой урожайности. В двух экспериментах, где применялся холодовой прайминг (отдельно или в комбинации с внесением калия), мы наблюдали сокращение времени от посева до антезиса. Холодовой прайминг также уменьшал количество листьев до первого соцветия и высоту растения до первого соцветия. Таким образом, мы подтвердили результаты предыдущих исследований, указывающие, что применение низких температур после раскрытия семядолей (чувствительный период) сокращает количество листьев до первого соцветия и ускоряет цветение (Lewis et al., 1953; Calvert et al., 1957; Dieleman and Heuvelink, 1992). Калий играет важную роль в созревании томатов, а низкая доступность калия связана с нарушениями развития плодов (Hartz et al., 1999). Оптимальные уровни калийных удобрений улучшают урожайность и качество плодов (Hartz et al., 2005; Caretto et al., 2008), и различные уровни калийных удобрений вызывают множество метаболических изменений в плодах томатов (Weinert et al., 2021). Однако, насколько нам известно, положительное влияние внесения калия на ускорение времени созревания томатов ранее не сообщалось. Водный стресс и внесение фосфора не оказывали значительного влияния на время от посева до антезиса или на время от антезиса до созревания плодов. Хотя существуют противоречивые сообщения о влиянии водного стресса на скороспелость томатов (Wudiri and Henderson, 1985; Martínez-Cuenca et al., 2020; Chong et al., 2022), уровень применяемого стресса, вероятно, ответственен за наблюдаемые различия. При комбинации холодового прайминга и внесения калия наблюдался аддитивный эффект с сокращением времени от посева до антезиса и от антезиса до созревания плодов, предположительно вызванный соответственно холодовым праймингом и внесением калия. Это позволяет предположить, что эффекты этих двух обработок на физиологические процессы, влияющие на обе репродуктивные фазы, в значительной степени независимы у томатов. Спасение зародышей является высокоэффективным инструментом для ускорения времени генерации многих культур (Sharma et al., 1996; Zheng et al., 2013; Ghosh et al., 2018; Wanga et al., 2021; Samantara et al., 2022). Мы ранее подтвердили, что спасение зародышей является мощным инструментом для быстрой генерации томатов (Bhattarai et al., 2009; Geboloğlu et al., 2011). Используя спасение зародышей по сравнению с семенами от растений с созревшими in planta плодами, мы обнаружили, что в весенне-летнем цикле выращивания можно добиться сокращения цикла роста более чем на одну неделю.
5. Выводы
Мы обнаружили, что значительное сокращение времени генерации томатов может быть достигнуто с помощью комбинации агрономических методов и спасения зародышей. Стресс, вызванный ограничением роста корней в малых контейнерах, задерживал сроки цветения и созревания; следовательно, для быстрого развития и сокращения времени генерации необходимы большие контейнеры. Холодовой прайминг и внесение калия приводили к ускорению цветения и созревания плодов соответственно на несколько дней. Спасение зародышей на стадиях торпедо или пред-котиледонной стадии сокращало время генерации на несколько недель. При комбинации холодового прайминга и внесения калия со спасением зародышей у томатов, выращенных в больших контейнерах, среднее количество поколений в год может увеличиться с трех до почти четырех. Использование других дополнительных агрономических методов, таких как манипуляции фотопериодом, интенсивностью света и температурой, а также генетических подходов, может привести к дальнейшему сокращению времени генерации томатов.
Заявление о конкурирующих интересах
Авторы заявляют об отсутствии известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Благодарности
This work has been funded by the European Commission H2020 Research and Innovation Programme through the HARNESSTOM innovation action (Grant No. 101000716) and Grant CIPROM/2021/020 (project SOLECO) funded by Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital (Generalitat Valenciana, Spain). Pietro Gramazio received a post-doctoral fellowship (Grant No. RYC2021-031999-I) funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”.
Ссылки на литературу:
Adkar-Purushothama et al., 2018
C.R. Adkar-Purushothama, T. Sano, J.P. Perreault
Viroid-derived small RNA induces early flowering in tomato plants by RNA silencing
Mol Plant Pathol, 19 (2018), pp. 2446-2458
View at publisher
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Arad and Mizhari, 1983
S.M. Arad, Y. Mizhari
Stress-induced ripening of the non-ripening tomato mutant nor
Physiol Plantarum, 59 (1983), pp. 213-217
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Bauchet et al., 2017
G. Bauchet, S. Grenier, N. Samson, J. Bonnet, L. Grivet, M. Causse
Use of modern tomato breeding germplasm for deciphering the genetic control of agronomical traits by Genome-Wide Association study
Theor Appl Genet, 130 (2017), pp. 875-889
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Bhattarai et al., 2009
S.P. Bhattarai, R.C. de la Pena, D.J. Midmore, K. Palchamy
In vitro culture of immature seeds for rapid generation advancement in tomato
Euphytica, 167 (2009), pp. 23-30
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Besford and Maw, 1975
R.T. Besford, G.A. Maw
Effect of potassium nutrition on tomato plant growth and development
Plant Soil, 42 (1975), pp. 395-412
View in ScopusGoogle Scholar
Blümel et al., 2015
M. Blümel, N. Dally, C. Jung
Flowering time regulation in crops—what did we learn from Arabidopsis?
Curr Opin Biotechnol, 32 (2015), pp. 121-129
View PDFView articleView in ScopusGoogle Scholar
Bouzo and Favaro, 2015
C.A. Bouzo, J.C. Favaro
Container size effect on the plant production and precocity in tomato (Solanum lycopersicum L.)
Bulg J Agricult Sci, 21 (2015), pp. 325-332
View in ScopusGoogle Scholar
Calvert, 1957
A. Calvert
Effect of the early environment on development and flowering in the tomato: I. Temperature
J Hortic Sci, 28 (1957), pp. 207-220
Google Scholar
Caretto et al., 2008
S. Caretto, A. parente, F. Serio, P. Santamaria
Influence of potassium and genotype on vitamin E content and reducing sugar of tomato fruits
Hortscience, 43 (2008), pp. 2048-2051
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Carmi, 1986
A. Carmi
Effects of root zone volume and plant density on the vegetative and reproductive development of cotton
Field Crops Res, 13 (1986), pp. 25-32
View PDFView articleView in ScopusGoogle Scholar
Cerovic et al., 2012
Z.G. Cerovic, G. Masdoumier, N.B. Ghozlen, G. Latouche
A new optical leaf-clip meter for simultaneous non-destructive assessment of leaf chlorophyll and epidermal flavonoids
Physiol Plantarum, 146 (2012), pp. 251-260
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Chong et al., 2022
L. Chong, R. Xu, P. Huang, P. Guo, M. Zhu, H. Du, X. Sun, L. Ku, J.K. Zhu, Y. Zhu
The tomato OST1-VOZ1 module regulates drought-mediated flowering
Plant Cell, 34 (2022), pp. 2001-2018
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
da Silva et al., 2021
J.M. da Silva, P.C.R. Fontes, C.C. Milagres, E.G. Junior
Application of proximal optical sensors to assess nitrogen status and yield of bell pepper grown in slab
J Soil Sci Plant Nutr, 21 (2021), pp. 229-237
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Demirel and Seniz, 1997
F. Demirel, V. Seniz
A research on the utilization possibilities of embryo culture in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.)
Acta Hortic, 447 (1997), pp. 237-238
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Dieleman and Heuvelink, 1992
J.A. Dieleman, E. Heuvelink
Factors affecting the number of leaves preceding the first inflorescence in tomato
J Hortic Sci, 67 (1992), pp. 1-10
CrossrefGoogle Scholar
Díez and Nuez, 2008
M.J. Díez, F. Nuez
Tomato
J. Prohens, F. Nuez (Eds.), Handbook of Plant Breeding, Vegetables II, Springer, New York (2008), pp. 249-323
CrossrefGoogle Scholar
Dumas, 1987
Y. Dumas
Influence of phosphorus fertilization and availability on growing and production of sown tomato
Acta Hortic, 220 (1987), pp. 245-252
Google Scholar
Fan et al., 2022
K. Fan, F. Li, X. Chen, Z. Li, D.J. Mulla
Nitrogen balance index prediction of winter wheat by canopy hyperspectral transformation and machine learning
Rem Sens, 14 (2022), p. 3504
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
FAOSTAT, 2020
FAOSTAT
Food and agriculture data
https://www.fao.org/faostat/en/#home (2020), Accessed 11th Aug 2022
Google Scholar
Farneselli et al., 2010
M. Farneselli, P. Benincasa, F. Tei
Validation of N nutritional status tools for processing tomato
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar
C.R. Adkar-Purushothama, T. Sano, J.P. Perreault
Viroid-derived small RNA induces early flowering in tomato plants by RNA silencing
Mol Plant Pathol, 19 (2018), pp. 2446-2458
View at publisher
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Arad and Mizhari, 1983
S.M. Arad, Y. Mizhari
Stress-induced ripening of the non-ripening tomato mutant nor
Physiol Plantarum, 59 (1983), pp. 213-217
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Bauchet et al., 2017
G. Bauchet, S. Grenier, N. Samson, J. Bonnet, L. Grivet, M. Causse
Use of modern tomato breeding germplasm for deciphering the genetic control of agronomical traits by Genome-Wide Association study
Theor Appl Genet, 130 (2017), pp. 875-889
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Bhattarai et al., 2009
S.P. Bhattarai, R.C. de la Pena, D.J. Midmore, K. Palchamy
In vitro culture of immature seeds for rapid generation advancement in tomato
Euphytica, 167 (2009), pp. 23-30
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Besford and Maw, 1975
R.T. Besford, G.A. Maw
Effect of potassium nutrition on tomato plant growth and development
Plant Soil, 42 (1975), pp. 395-412
View in ScopusGoogle Scholar
Blümel et al., 2015
M. Blümel, N. Dally, C. Jung
Flowering time regulation in crops—what did we learn from Arabidopsis?
Curr Opin Biotechnol, 32 (2015), pp. 121-129
View PDFView articleView in ScopusGoogle Scholar
Bouzo and Favaro, 2015
C.A. Bouzo, J.C. Favaro
Container size effect on the plant production and precocity in tomato (Solanum lycopersicum L.)
Bulg J Agricult Sci, 21 (2015), pp. 325-332
View in ScopusGoogle Scholar
Calvert, 1957
A. Calvert
Effect of the early environment on development and flowering in the tomato: I. Temperature
J Hortic Sci, 28 (1957), pp. 207-220
Google Scholar
Caretto et al., 2008
S. Caretto, A. parente, F. Serio, P. Santamaria
Influence of potassium and genotype on vitamin E content and reducing sugar of tomato fruits
Hortscience, 43 (2008), pp. 2048-2051
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Carmi, 1986
A. Carmi
Effects of root zone volume and plant density on the vegetative and reproductive development of cotton
Field Crops Res, 13 (1986), pp. 25-32
View PDFView articleView in ScopusGoogle Scholar
Cerovic et al., 2012
Z.G. Cerovic, G. Masdoumier, N.B. Ghozlen, G. Latouche
A new optical leaf-clip meter for simultaneous non-destructive assessment of leaf chlorophyll and epidermal flavonoids
Physiol Plantarum, 146 (2012), pp. 251-260
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Chong et al., 2022
L. Chong, R. Xu, P. Huang, P. Guo, M. Zhu, H. Du, X. Sun, L. Ku, J.K. Zhu, Y. Zhu
The tomato OST1-VOZ1 module regulates drought-mediated flowering
Plant Cell, 34 (2022), pp. 2001-2018
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
da Silva et al., 2021
J.M. da Silva, P.C.R. Fontes, C.C. Milagres, E.G. Junior
Application of proximal optical sensors to assess nitrogen status and yield of bell pepper grown in slab
J Soil Sci Plant Nutr, 21 (2021), pp. 229-237
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Demirel and Seniz, 1997
F. Demirel, V. Seniz
A research on the utilization possibilities of embryo culture in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.)
Acta Hortic, 447 (1997), pp. 237-238
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
Dieleman and Heuvelink, 1992
J.A. Dieleman, E. Heuvelink
Factors affecting the number of leaves preceding the first inflorescence in tomato
J Hortic Sci, 67 (1992), pp. 1-10
CrossrefGoogle Scholar
Díez and Nuez, 2008
M.J. Díez, F. Nuez
Tomato
J. Prohens, F. Nuez (Eds.), Handbook of Plant Breeding, Vegetables II, Springer, New York (2008), pp. 249-323
CrossrefGoogle Scholar
Dumas, 1987
Y. Dumas
Influence of phosphorus fertilization and availability on growing and production of sown tomato
Acta Hortic, 220 (1987), pp. 245-252
Google Scholar
Fan et al., 2022
K. Fan, F. Li, X. Chen, Z. Li, D.J. Mulla
Nitrogen balance index prediction of winter wheat by canopy hyperspectral transformation and machine learning
Rem Sens, 14 (2022), p. 3504
CrossrefView in ScopusGoogle Scholar
FAOSTAT, 2020
FAOSTAT
Food and agriculture data
https://www.fao.org/faostat/en/#home (2020), Accessed 11th Aug 2022
Google Scholar
Farneselli et al., 2010
M. Farneselli, P. Benincasa, F. Tei
Validation of N nutritional status tools for processing tomato
View at publisherCrossrefView in ScopusGoogle Scholar