Typy i znaczenie cytoplazmy ziemniaka

Ziemniak Polski 2014 nr 2 4

Hodowla i genetyka

T

T

T

Y

Y

Y

P

P

P

Y

Y

Y

I

I

I

Z

Z

Z

N

N

N

A

A

A

C

C

C

Z

Z

Z

E

E

E

N

N

N

I

I

I

E

E

E

C

C

C

Y

Y

Y

T

T

T

O

O

O

P

P

P

L

L

L

A

A

A

Z

Z

Z

M

M

M

Y

Y

Y

Z

Z

Z

I

I

I

E

E

E

M

M

M

N

N

N

I

I

I

A

A

A

K

K

K

A

A

A

IHAR-PIB, Oddział w Młochowie, ul. Platanowa 19, 05-831 Młochów e-mail: p.smyda@ihar.edu.pl

komórkach roślinnych, również ziemniaka, materiał genetyczny znajduje się w jądrze komórkowym oraz w organellach komórkowych – chloro-plastach i mitochondriach (Bastia 2001). Produkty genów jądrowych współdziałają z produktami genów organellowych, wpływając na wiele podstawowych procesów życiowych rośliny, takich jak fotosynteza czy oddycha-nie. Wzajemne dopasowanie genów jądro-wych i cytoplazmatycznych warunkuje pra-widłowy wzrost i rozwój rośliny. Pula gene-tyczna ziemniaka uprawnego (Solanum

tu-berosum L.) jest mocno zawężona, zarówno

wskutek wieloletniego wykorzystywania w hodowli nielicznych form rodzicielskich zdol-nych do tuberyzacji w warunkach dnia

dłu-giego, jak i z powodu wielu barier krzyżowal-ności, związanych z mechanizmami izolacji seksualnej gatunków Solanum (Carputo i in. 1998). Do mechanizmów tych zaliczamy: EBN (Endosperm Balance Number – liczba zbalansowanego endospermu), samonie-zgodność czy cytoplazmatyczno-jądrową męską sterylność (Jansky 2006). Bariery krzyżowalności w ziemniaku uprawnym związane są zwłaszcza z genomem cytopla-zmatycznym, w którym dominuje sterylizują-ca cytoplazma S. tuberosum.

W ziemniaku, podobnie jak u innych okry-tozalążkowych, w seksualnych krzyżowa-niach cytoplazma jest dziedziczona matecz-nie. Geny cytoplazmatyczne, lub ich interak-cje z genami jądrowymi, są zaangażowane

Ziemniak Polski 2014 nr 2 ₅

w kontrolę wielu cech morfologicznych, fizjo-logicznych i agronomicznych ziemniaka (Cardi i in. 1999). Znanych jest kilka jądro-wych genów warunkujących cytoplazma-tyczną męską sterylność – CMS (Hosaka, Sanetomo 2012). Genom cytoplazmy może wpływać na tuberyzację, ogólny plon, kwit-nienie, szybkość dojrzewania roślin, odpor-ność na stresy oraz płododpor-ność (Bastia i in. 2001; Hosaka, Sanetomo 2012).

Typy cytoplazmy ziemniaka

Cytoplazmatyczny materiał genetyczny wy-stępuje w chloroplastach i mitochondriach. Od początków hodowli obserwowano zależ-ność efektów krzyżowań od kierunku krzy-żowania poszczególnych form rodzicielskich, czyli od wpływu matecznego. Próbowano charakteryzować typy cytoplazmy na pod-stawie dwukierunkowych krzyżowań. Dopie-ro wytworzenie i zastosowanie narzędzi do badań molekularnych pozwoliło na dokładną klasyfikację rodzajów cytoplazmy. Cytopla-zmatyczne DNA analizowano z wykorzysta-niem techniki hybrydyzacji Southern, która wymagała dużej ilości DNA dobrej jakości i była metodą kosztowną (Lössl i in. 1999). Dostępność sekwencji chloroplastowego DNA (ctDNA) i mitochondrialnego DNA (mtDNA) pozwoliła na zaprojektowanie star-terów PCR specyficznych do sekwencji w genomie organellowym.

Na podstawie specyficznych markerów molekularnych wyróżniono pięć typów ct-DNA: W, C, T, A i S oraz pięć typów mtct-DNA: α, β, γ, δ i ε (Hosaka 1986, Lössl i in. 1999). Zauważono, że dany typ ctDNA ziemniaka dziedziczy się z konkretnym typem mtDNA. Typy ctDNA i mtDNA najczęściej występują

w parach: T/β, W/α, W/γ, A/ε, S/ε i W/δ (Lössl i in. 1999). W 2012 r. Hosaka i

San-temono wprowadzili nową nomenklaturę cytoplazmy ziemniaka. Na podstawie profilu pięciu markerów specyficznych dla ctDNA oraz jednego markera specyficznego dla mtDNA wyróżnili sześć typów cytoplaztycznego DNA: M (Mother type – typ ma-teczny), P (S. phureja), A (S. tuberosum ssp.

andigena), W (Wild type – typ dziki), T (S. tuberosum ssp. tuberosum) oraz typ D (S. demissum). Odpowiadają one następującym

kombinacjom cytoplazmy: M – C/ε, P – S/ε,

A – A/ε, W – W/α, W/γ lub W/δ, T – T/β oraz D – W/α (Hosaka, Santemono 2012).

Dominującym typem cytoplazmy odmian ziemniaka uprawnego jest T (T/β). Cytopla-zma ta jest wrażliwa na geny jądrowe, co przyczynia się do różnych typów męskiej sterylności. Klony ziemniaka o typie cytopla-zmy T wykazują męską sterylność charakte-ryzującą się brakiem pyłku, słabym pyleniem i deformacjami pyłku lub pylników (Abdalla, Hermsen 1971; Grun 1979). Zmniejsza to pulę zapylaczy, które można wykorzystać w hodowli w programach krzyżowań. Zauwa-żono, że w krzyżowaniach z udziałem S.

tuberosum ssp. tuberosum (T) i S. tubero-sum ssp. andigena (A) hybrydy otrzymane z

krzyżowania T x A osiągały większe plony niż potomstwo z krzyżowań A x T lub T x T. Z tego powodu typ cytoplazmy T jest chętnie wykorzystywany w hodowli, pomimo współ-występujących różnych typów męskiej ste-rylności (Maris i in. 1982; Hosaka, Sanetomo 2012).

S. stoloniferum, gatunek o typie

cytopla-zmy W (W/γ) jest źródłem odporności na wirus Y ziemniaka (PVY), warunkowanej obecnością genu Rysto. Odmiany niosące

gen Rysto wykazują męską sterylność, co

powodowane jest mtDNA pochodzącym od

S. stoloniferum (Brown 1984, Ortiz i in. 1993,

Lössl i in. 2000). Ten typ sterylności zwany jest tetradowym, ponieważ podczas mikro-sporogenezy ziarna pyłku nie rozdzielają się, tworząc charakterystyczne tetrady (fot. 1a). Funkcjonalny pyłek dla porównania przed-stawiono na fotografii 1b.

Kolejnym gatunkiem ziemniaka, często wykorzystywanym w programach hodowla-nych, jest S. demissum. Jest on źródłem odporności na zarazę ziemniaka, wywoływa-ną przez Phytophthora infestans. Cytopla-zma D (W/α) pochodząca od S. demissum, obecna w osobnikach pokolenia F1,

powodu-je, że chociaż wytwarzany przez nie pyłek jest liczny i morfologicznie niezmieniony, to jednak jest on niefunkcjonalny. Znane są nieliczne genotypy z typem D cytoplazmy, które posiadają płodny pyłek, co pozwala na wykorzystanie ich jako form ojcowskich w programach krzyżowań (Hosaka, Sanetomo 2012).

Ziemniak Polski 2014 nr 2

6

Fot. 1. Pyłek ziemniaka wybarwiony kwaśną fuksyną: a – sterylność ‘tetradowa’ S. stoloniferum,

b – funkcjonalny pyłek (fot. I. Wasilewicz-Flis, P. Smyda)

W związku z dosyć jednorodną cytopla-zmą ziemniaka poszukuje się nowej zmien-ności/jakości genetycznej. Źródłem innej jakościowo cytoplazmy mogą być produkty fuzji somatycznej, gdyż technika ta jest dro-gą tworzenia nowych kombinacji jądrowych, cytoplazmatycznych oraz nowych układów jądrowo-cytoplazmatycznych (Przetakiewicz i in. 2007), tzw. cybryd, które zawierają ge-nom jądrowy jednego rodzica, a cytoplazmę drugiego. Produkty fuzji są ciekawym, mało poznanym materiałem do badania oddziały-wań jądrowo-cytoplazmatycznych i ich wpły-wu na fenotyp, a także są źródłem bioróżno-rodności genomów jądrowych i cytoplazma-tycznych (Orczyk i in. 2003).

Podsumowanie

Wykorzystanie w hodowli ziemniaka niewielu gatunków jako form matecznych, jednocze-śnie niosących męską sterylność warunko-waną określonym typem cytoplazmy, w kon-sekwencji spowodowało znaczne ujednoli-cenie typu cytoplazmy w materiałach hodow-lanych. Wiele ważnych cech ziemniaka uprawnego, szczególnie plenność i płod-ność, zależy od wzajemnego oddziaływania produktów genów jądrowych i cytoplazma-tycznych. Dlatego konieczna jest równocze-sna analiza tych genomów i zrozumienie wzajemnych relacji między nimi. Poszerza-nie wiedzy o zróżnicowaniu genomów orga-nellowych gatunków Solanum może być po-mocne w efektywnym dobieraniu form rodzi-cielskich w hodowlanych programach

krzy-żowań, a z drugiej strony zapobiegnie zawę-żaniu puli dostępnych form matecznych ziemniaka.

Literatura

1. Bastia T., Scotti N., Cardi T. 2001.

Organ-elle DNA analysis of Solanum and Brassica somatic hybrids by PCR with ‘universal primers’. – Theor. Appl. Genet. 102: 1265-1272; 2. Brown C. R. 1984. Tetrad

sterility: a cytoplasmic-genic male sterility attractive to bumblebees. [In:] Proc 9th Trienn. Conf. EAPR. Interla-ken: 101-102; 3. Cardi T., Bastia T., Monti L., Earle E. D. 1999. Organelle DNA and male fertility variation

in Solanum spp. and interspecific somatic hybrids. –

Theor. Appl. Genet. 99: 819-828; 4. Carputo D.,

Gar-reffa P., Mazzei M., Monti L., Cardi T. 1998. Fertility

of somatic bybrids Solanum commersonii (2x, 1EBN) (+) S. tuberosum haploid (2x, 2EBN) in intra- and inter- EBN crosses. – Genome 41: 776-781; 5. Grun P. 1979. Evolution of the cultivated potato: a cytoplasmic

analysis. [In:] Hawkes J. G., Lester R. N., Skelding A. D. (eds). The biology and taxonomy of the Solana-ceae. Acad. Press London: 655-665; 6. Hosaka K. 1986. Who is the mother of the potato? Restriction

endonuclease analysis of chloroplast DNA of cultivated potatoes. – Theor. Appl. Genet. 72: 606-618; 7. Hosa-ka K., Sanetomo R. 2012. Development of a rapid

identification method for potato cytoplasm and its use for evaluation Japanese collections. – Theor. Appl.

Genet. 125: 1237-1257; 8. Jansky S. 2006.

Overcom-ing hybridization barriers in potato. – Plant Breed. 125: 1-12; 9. Lössl A., Adler N., Horn R., Frei U., Wenzel G. 1999. Chondriome-type characterization of potato:

mt α, β, γ, δ, ε and novel plastid-mitochondrial configu-rations in somatic hybrids. – Theor. Appl. Genet. 99:

1-Ziemniak Polski 2014 nr 2 ₇

-10; 10. Lössl A., Götz M., Braun A., Wenzel G. 2000. Molecular markers for cytoplazm in potato: male

sterility and contribution of different plastid-mitochon-drial configurations to starch production. – Euphytica 116: 221-230; 11. Maris B. 1989. Analysis of an

in-complete diallel cross among three ssp. tuberosum varieties and seven long-day adapted ssp. andigena clones of the potato (Solanum tuberosum L.). –

Euphytica 41: 163-182; 12. Orczyk W., Przetakiewicz

J., Nadolska-Orczyk A. 2003. Somatic hybrids of

Solanum tuberosum – application to genetics and breeding. – Plant Cell, Tissue and Organ Cult. 74: 1- -13; 13. Ortiz R., Iwanaga M., Peloquin S. J. 1993.

Male sterility and 2n pollen in 4x progenies derived from 4x x 2x and 4x x 4x crosses in potatoes. – Potato Res 36: 227-236; 14. Przetakiewicz J., Nadolska- -Orczyk A., Kuć D., Orczyk W. 2007. Tetraploid

so-matic hybrids of potato (Solanum tuberosum L.) ob-tained from diploid breeding lines. – Cellular & Mol. Biol. Letters 12: 253-267