Assessment of crossing compatibility between common rye Secale cereale ssp. cereale and a wild subspecies Secale cereale ssp. afghanicum (Vav.) Hammer

• Autorzy: Mackiewicz D. , Grzelak M.

Warianty tytułu

PL

Ocena zgodności krzyżówkowej pomiędzy żytem uprawnym Secale cereale ssp. cereale a podgatunkiem dzikim Secale cereale ssp. afghanicum (Vav.) Hammer

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Tasks imposed by contemporary agriculture on plant breeding are becoming increasingly complex. In order to meet these requirements breeders are applying various methods to expand genetic variability of stock materials for breeding work. Distant crossing is one of them. Wild subspecies are potential donors of such traits as resistance to diseases, adverse environmental factors or male sterility. Pollen grain germination and penetration of pollen tubes were analyzed in the Secale cereale (L.) species based on pollination between three cultivars of common rye (cv. Dańkowskie Złote, Dańkowskie Nowe, Amilo) and a wild subspecies Secale cereale ssp. afghanicum. Reciprocal cross pollinations were performed and pistils were fixed at 10 time points from pollination from 10’ to 4 h. The process of fertilisation was observed by fluorescence staining preparations with aniline blue. In comparison to the control, i.e. open-pollination within cv. Dańkowskie Złote, pollen grain abundance and germination on stigmas in reciprocal crosses with the wild subspecies were lower. Pollen grain germination and penetration of pollen tubes to the ovary were delayed in relation to the control. Symptoms of incompatibility were observed, numerous kernels did not germinate and callose reaction was observed in pollen tubes, along with rupture of tubes and their disorientation, while a lower number of pollen tubes penetrated to ovaries. In all the tested combinations pollen tubes were observed at the micropyles as late as after 4 h from pollination, with pollination efficiency within 0.36-7.91 %. In the control experiment penetration of pollen tubes into micropyles was observed as early as after 2³°h at pollination efficiency of 91%. It was found that in the three tested rye cultivars the pollen-pistil interaction varied, with cv. Dańkowskie Złote confirmed as the best for crossing with Secale cereale ssp. afghanicum. No marked differences were found between directions of crossing in processes taking place at the stigma. Crossing efficiency was poor, although it was higher when common rye was the maternal plant.

PL

Współczesne rolnictwo stawia przed hodowlą coraz trudniejsze zadania. Aby sprostać tym wymogom hodowcy starają się różnymi metodami poszerzyć zmienność genetyczną materiałów wyjściowych do hodowli. Jedną z tych metod jest krzyżowanie oddalone. Dzikie podgatunki są potencjalnymi dawcami takich cech jak odporność na choroby, złe czynniki środowiskowe czy męska niepłodność. Przeprowadzono analizy procesu kiełkowania ziaren pyłku i wnikania łagiewek pyłkowych w obrębie gatunku Secale cereale (L.), dokonując zapyleń pomiędzy trzema odmianami żyta uprawnego (cv. Dańkowskie Złote, Dańkowskie Nowe, Amilo) a podgatunkiem dzikim Secale cereale ssp. afghanicum. Wykonano zapylenia wzajemnoprzemienne i utrwalono słupki po 10 czasach od zapylenia od 10’ do 4h. Przeprowadzono obserwacje procesu zapłodnienia metodą fluorescencyjną, barwiąc preparaty błękitem anilinowym. W porównaniu do kontroli tj. obcozapylenia w obrębie odmiany Dańkowskie Złote, opylenie i proces kiełkowania ziaren pyłku na znamionach w krzyżówkach wzajemnoprzemiennych z podgatunkiem dzikim były słabsze. Opóźniony w stosunku do kontroli był proces kiełkowania ziaren i wnikania łagiewek do zalążni. Ujawniały się symptomy niezgodności, liczne ziarna pozostawały nieskiełkowane a w łagiewkach obserwowano reakcję kalozową, pękanie łagiewek i dezorientację ich, łagiewki mniej licznie wnikały do zalążni. We wszystkich badanych kombinacjach obserwowano łagiewki przy mikropyle jednak dopiero po 4 godz. od zapylenia a efektywność zapylenia wahała się 0,36-7,91 %. W kontrolnym doświadczeniu wnikanie łagiewek do mikropyle obserwowano już po 2³°h a efektywność zapylenia wynosiła 91%. Stwierdzono, że u badanych trzech odmian żyta reakcja ziarno pyłku - znamię była różna. Najlepszą do krzyżowania z Secale cereale ssp. afghanicum okazał się cv. Dańkowskie Złote. Nie zaobserwowano większych różnic w procesach na znamieniu pomiędzy kierunkami krzyżowania. Efektywność krzyżowania była słaba i wyższa gdy matką było żyto uprawne.

Słowa kluczowe

EN

Secale cereale spp.; intraspecific crosses; pollen grains; germination; pollen tube; growth; fluorescent microscopy

PL

Secale cereale spp.; żyto; krzyżowanie oddalone; kiełkowanie; ziarna pyłku; łagiewki pyłkowe; wzrost; mikroskop fluorescencyjny

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Poznański Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, nr 4
• Strony: 31--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mackiewicz D.

• Poznań University of Life Sciences, Department of Genetics and Plant Breeding

autor

Grzelak M.

• Poznań University of Life Sciences, Department of Grassland and Natural Landscape Sciences

Bibliografia

• [1] Madej L.:Worldwide trends in rye growing and breeding; V f P. 1996, Vol. 35, 1-6, EUCARPIA 27-29 June 1996.
• [2] Central Statistical Office of Poland Results of agricultural production in 2015 GUS, Rolnictwa Warszawa 2016.stat.gov.pl.
• [3] Wolski T.: Hodowla żyta w Polsce. Biul. Inst. Hod. i Aklim. Rośl. 1972, Vol. 5-6: 53.
• [4] Patyna H. Grochowski L.: Hodowla wsobna jako metoda poszukiwania nowych cech żyta. Biul. Inst. Hod. i Aklim. Rośl. 1972. Vol. 5-6: 65.
• [5] Ruebenbauer T. Podstawowe problemy genetyki żyta . Postpy Nauk Rolniczych, 1977, Vol. 3/77: 85-106.
• [6] Khush G.S.: Cytogenetic and evolutionary studies in Secale, II Interrelationships in the wild species. Evolution. 1962, Vol.16: 484-496.
• [7] Kranz A.R.: Wild species and primitive forms of rye (Secale L.). Adv. Plant Breed.(Berlin) 1973, 3: 1-60.
• [8] Singh R.J.: Cross compatibility, meiotic pairing and fertility in 5 Secale species and their interspecific hybrids. Cer.Res.Com. 1977. Vol. 5 (1): 67-75.
• [9] Kuckuck H., Peters R.: Weitere genetisch-zűchterische Untersuchungen an Secale vavilovii Grossh. Z. Pflanenzűchtg, 1970. Bd. 64, 182-200.
• [10] Łapiński M.: Badania nad otrzymaniem materiałów wyjściowych do hodowli żyta z krzyżówek oddalonych. Prace Zespołu Badawczego Hodowli Żyta w 1972 r.
• [11] Rzepka D.: Właściwości międzygatunkowych mieszańców żyta (Secale sp.). Hod. Rośl. 1990. Vol. 32, (3/4): 27-36.
• [12] Rzepka D., Łapiński M.: Przydatność międzygatunkowych mieszańców żyta (Secale sp.) w hodowli odmian odpornych na mączniaka (Erysiphe graminis Dc. F.sp. Secalis Marchal. Hod. Rośl. Aklim. i Nasien. 1988. Vol. 32 (3/4): 39-49.
• [13] Kobylanskij V.D.: The modern studies and principal tasks of rye selection. Vestn. S.-h. Nauki, Moskva,1987. N 11: 35-40.
• [14] Słaboński A., Rzepka D., Pieniążek B.: Możliwość wykorzystania mieszańców międzygatunkowych Secale cereale x S. montanum, S. cereale x S. kuprijanovii i S.cereale x S. vavilovii w hodowli żyta. Hod. Rośl. Aklim. i Nasien. 1984.Vol. 28 (2):195-208.
• [15] Łapiński M.: Cytoplasmic male sterility in interspecific rye hybrids. Hod. Rośl. Aklim. i Nasien. 1975. Vol.19. (5,6): 415-420.
• [16] Kobylanskij V.D., Artemowa G.W. and Katerowa A.G.: Inheritance of cytoplasmic male sterility in rye. Trudy po Prikl. Bot. I Sel. 1980. No. 67:130-133.
• [17] Mackiewicz-Karolczak D., Broda Z.: Ocena przydatności hodowlanej mieszańców żyta uprawnego Secale cereale (L.) z dzikimi gatunkami z rodzaju Secale. Biul. Inst. Hod. i Aklim. Rośl. 2004. Vol. 231: 265-277.
• [18] Targońska M., Bolibok-Brągoszewska H., Rakoczy-Trojanowska M.: Assessment of genetic diversity in Secale cereale based on SSR Marks. Plant Mol. Biol. Report. 2016. Vol.34: 37-51.
• [19] Mikołajczyk S., Broda Z., Mackiewicz D., Weigt D., Tomkowiak A., Bocianowski J. :Biometric characteristic of interspecific hybrids in the genus Secale. Biometrical Letters. 2014. Vol. 51(2): 153-170.
• [20] Goodman R.M., Hauptli H., CrosswayA., Knauf V.C.: Gene transfer in crop improvement. Science, 1987. New Series, Vol. 236: 48-54.
• [21] Mackiewicz-Karolczak D., Broda Z.: Ocena efektywności krzyżowań międzygatunkowych w rodzaju Secale. Biul. Inst. Hod. i Aklim. Rośl. 2002. Vol. 221: 73-81.
• [22] Lundqvist A.: Self incompatibility in rye. I Genetic control in the diploid. Hereditas. 1956. Vol.42: 293-348.
• [23] Filutowicz A., Kużdowicz A.: Mikrotechnika roślin. PWN Warszawa 1951.
• [24] Martin F.W.: Staining and observing pollen tubes by means of fluorescence. Stain technol.1959. Vol.34: 125-128.
• [25] Mackiewicz D., Grzelak M.: Analysis of fertilization process in rye (Secale cereale L. ssp. cereale) under different greenhouse conditions. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering. 2015, Vol. 60 (4): 30-35.
• [26] Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y.: The pollen-stigma interaction in the grasses 2: Pollen-tube penetration and the stigma response in Secale. Acta Bot. Neerl. 1981. Vol. 30: 289-307.
• [27] Winiarczyk K., Szozda A., Kalinowski A., Radcowski M.: Wybrane aspekty zapylenia żyta (Secale cereale L.). Annals UMCS. Sec. E 2005, Vol.60, 293-307.
• [28] Vishnyakova M.A., Willemseif M.T.M.: Pollen-pistil interaction in wheat.. Acta Bot. Needrl. 1994. Vol. 43(1): 51-64.
• [29] Luu D.T., Marty-Mazars D., Trick M., Dumas C., Heizmann P.: Pollen-stigma adhesion in Brassica spp. involves SLG and SLRI glycoproteins. The Plant Cell 1999. 11: 251-262.
• [30] Lord E.: Adhesion and cell movement during pollination: cherchez la femme. Trends Plant Sc. 2000. 5: 368-372.
• [31] Zinkl G.M., Zwiebel B., Grier D.G., Preuss D.: Pollen–stigma adhesion in Arabidopsis: a species-specific interaction mediated by lipophilic molecules in the pollen exine, Development 1999. 125: 5431-5440.
• [32] Ikeda S., Nasrallah J.B., Dixit R., Preiss S., Nasrallah M.E.: An aquaporin-like gene required for the Brassica self-incompatibility response. Science 1997. 276: 1564–1566.
• [33] Park S.Y., Jauh G.Y., Mollet J.C., Eckard K.J., Nothnagel E.A., Walling L.L., Lord E.M.: A lipid transfer-like protein is necessary for lily pollen tube adhesion to an in vitro stylar matrix. The Plant Cell, 2000. Vol. 12: 151-163.
• [34] De Bustos A., Jouve N.: Characterization and analysis of new HMW-glutenin alleles encoded by the Glu-R1 locus of Secale cereale. AG, 2003. Vol.107: 74-83.
• [35] Chikmawati T., Skovmand B., Gustafson J.P.: Phylogenetic relationships among Secale species revealed by amplified fragment length polymorphisms. Genome 2005. 48: 792-801.
• [36] Bolibok-Brągoszewska H., Heller-Uszyńska K., Wenzl P., Uszyński G., Kilian A., Rakoczy-Trojanowska M.: DArT markers for the rye genome - genetic diversity and mapping. BMC. Genomics 2009. 10: 578-586.
• [37] Pierson E.S., Miller D.D., Callaham D.A., Shipley A.M., Rivers B.A., Cresti M., Hepler P.K.: Pollen tube growth is coupled to the extracellular calcium ion flux and the intracellular calcium gradient: effect of BAPTA-type buffers and hypertonic media. Plant Cell 1994. Vol. 6: 1815-1828.
• [38] Cheung A.Y.: Pollen-pistil interactions during pollen-tube growth. Trends in Plant Science 1996. Vol.1. No.2: 45-52.
• [39] Franklin V.E.: Signaling and the modulation of pollen tube growth. The Plant Cell 1999. Vol. 11: 727-738.
• [40] Bednarska E., Lenartowska M.: Mechanizmy samoniezgodności u roślin kwiatowych. Kosmos Problemy Nauk Biologicznych 2003. Vol. 52.
• [41] Dumas C., Knox R.B.: Callose and determination of pistil viability and incompatibility. TAG 1983. Vol. 76:1-10.
• [42] Shang H.Y., Wei Y.M., Wang X.R., Zheng Y.L.: Secale cereale microsatellite markers. Genetics and Molecular Biology 2006. 29, (4): 685-691.
• [43] Cuadrado A., Jouve N.: Evolutionary trends of different repetitive DNA sequences during speciation in the genus Secale. J Hered. 2002. 93: 339-345.
• [44] Chikmawati T., Skovmand B., Gustafson J.P.: Phylogenetic relationships among Secale species revealed by amplified fragment length polymorphisms. Genome 2005. 48: 792-801.
• [45] Schlegel R., Hybrid breeding boosted molecular genetics in rye. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2015. 19(5): 589-603.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.