Plant breeding is focused on selection of new genotypes with improved traits. Conventional methods based on hybridization and those based on biotechnology (somatic hybridization, genetic transformation, ploidy manipulation, etc.) are used to create novel genetic variations. Biotechnology provides powerful tools for plant breeding, for instance, haploid technology allows achievement of homozygous lines from heterozygous parents in one step, which reduces significantly the time required by conventional methods. Concerning woody species, characterized by self-incompatibility, long juvenile period and high degree of heterozygosity, this technique is the only way to get homozygous lines. Haploid plants are of great interest for breeding and genomic studies, being used in mutation research, genetic analysis, genome mapping and gene transfer. Gametic embryogenesis, based on cellular totipotency, produces an embryo from an immature gamete, by switching its developmental pathway from gametophytic to sporophytic. This research is focused on inducing gametic embryogenesis in two important Mediterranean fruit crops: almond (Prunus dulcis Mill.) via in vitro anther culture and mandarin (Citrus reticulata Blanco) via isolation and microspore culture. Also ploidy manipulation was applied to loquat (Eriobotrya japonica (Thunb.) Lindl.) for getting genotypes whit different ploidy levels. The experiments were carried out through years 2014, 2015 and 2016 at the ‘Università degli Studi di Palermo’ (UNIPA) as well as at the ‘Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias’ (IVIA). Regarding the almond anther culture, formation of calli and production of embryos was achieved through the direct embryogenesis route. On then other hand, early embryo regeneration is reported, for the first time, from isolated microspore culture of mandarin, ‘Mandarino Tardivo di Ciaculli’. Our results report the evidence of gametic embryogenesis and the production of homozygous regenerants in almond and mandarin, two species extremely recalcitrant to microspore embryogenesis. However, the results are affected by many factors that need further studies to better understand the embryogenic development and to increase the rate of embryo achievement. Moreover, another biotechnological tool (ploidy manipulation) was also applied for implementing the IVIA loquat breeding program. Polyploid plants are of great interest in this species, due to its potential for producing seedless genotypes via direct use of triploids or crosses between tetra and diploids. Aimed at obtaining new loquat genotypes, with different ploidy levels (polyploids), colchicine was applied to seeds before germination, to induce chromosome duplication. A total of three triploids (3x) and one tetraploid (4x) were obtained.

Il miglioramento genetico ha come obiettivo la selezione di nuovi genotipi con caratteristiche superiori. Metodi convenzionali basati sull’ibridazione e metodi biotecnologici (ibridazione somatica, trasformazione genetica, manipolazione della ploidia, etc.) vengono utilizzati per creare nuova variabilità. Le biotecnologie forniscono potenti strumenti per il miglioramento genetico, per esempio, l'ottenimento di aploidi permette di ottenere linee omozigoti da parentali eterozigoti in un solo atto, riducendo in modo significativo il tempo necessario rispetto ai metodi convenzionali. Per quanto riguarda le specie legnose, caratterizzate spesso da auto-incompatibilità, lungo periodo giovanile ed alta eterozigosi, questa è l’unica tecnica per ottenere linee omozigoti. Le piante aploidi rivestono un elevato interesse per studi di genomica, per mutazioni, analisi genetica, mappatura genetica e trasformazione genetica. Questa ricerca ha avuto come obiettivo l’induzione di embriogenesi gametica in due importanti specie mediterranee: il mandorlo (Prunus dulcis Mill), tramite coltura in vitro di antere, ed il mandarino (Citrus reticulata Blanco), mediante coltura di microspore isolate. Inoltre, sono stati condotti esperimenti per indurre duplicazione cromosomica in nespolo (Eriobotrya japonica (Thunb.) Lindl.) al fine di ottenere genotipi con diversi livelli di ploidia. Gli esperimenti sono stati condotti nel 2014, 2015 e 2016 presso l’Università degli Studi di Palermo (UNIPA) e l'Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA). Per quanto riguarda la coltura di antere di mandorlo, è stata ottenuta la formazione di calli e la produzione di embrioni omozigoti tramite embriogenesi diretta. Inoltre, la rigenerazione di embrioni è stata ottenuta, per la prima volta, anche a partire da microspore isolate di ‘Mandarino Tardivo di Ciaculli’. I risultati ottenuti hanno consentito di indurre con successo l'embriogenesi gametica con produzione di rigeneranti omozigoti in mandorlo e mandarino, due specie estremamente recalcitranti a questa tecnica. Inoltre, un altro strumento biotecnologico (la manipolazione della ploidia) è stato applicato con l’obiettivo di implementare il programma di miglioramento genetico del nespolo dell’IVIA. Le piante poliploidi hanno un elevato interesse per questa specie, in quanto potrebbero consentire la produzione di genotipi apireni, attraverso la diretta utilizzazione di triploidi o tramite ibridazione tra tetra e diploidi. Con l'obiettivo di ottenere nuovi genotipi con diversi livelli di ploidia (poliploidi), è stata applicata una soluzione di colchicina su semi non germinati di nespolo al fine di indurre duplicazione cromosomica. Un totale di tre triploidi (3x) ed un tetraploide (4x) sono stati così ottenuti.

Cimo', G.PLOIDY MANIPULATION FOR GENETIC IMPROVEMENT IN SOME MEDITERRANEAN FRUIT CROPS.

PLOIDY MANIPULATION FOR GENETIC IMPROVEMENT IN SOME MEDITERRANEAN FRUIT CROPS

Cimo', Giuseppe

Abstract

Plant breeding is focused on selection of new genotypes with improved traits. Conventional methods based on hybridization and those based on biotechnology (somatic hybridization, genetic transformation, ploidy manipulation, etc.) are used to create novel genetic variations. Biotechnology provides powerful tools for plant breeding, for instance, haploid technology allows achievement of homozygous lines from heterozygous parents in one step, which reduces significantly the time required by conventional methods. Concerning woody species, characterized by self-incompatibility, long juvenile period and high degree of heterozygosity, this technique is the only way to get homozygous lines. Haploid plants are of great interest for breeding and genomic studies, being used in mutation research, genetic analysis, genome mapping and gene transfer. Gametic embryogenesis, based on cellular totipotency, produces an embryo from an immature gamete, by switching its developmental pathway from gametophytic to sporophytic. This research is focused on inducing gametic embryogenesis in two important Mediterranean fruit crops: almond (Prunus dulcis Mill.) via in vitro anther culture and mandarin (Citrus reticulata Blanco) via isolation and microspore culture. Also ploidy manipulation was applied to loquat (Eriobotrya japonica (Thunb.) Lindl.) for getting genotypes whit different ploidy levels. The experiments were carried out through years 2014, 2015 and 2016 at the ‘Università degli Studi di Palermo’ (UNIPA) as well as at the ‘Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias’ (IVIA). Regarding the almond anther culture, formation of calli and production of embryos was achieved through the direct embryogenesis route. On then other hand, early embryo regeneration is reported, for the first time, from isolated microspore culture of mandarin, ‘Mandarino Tardivo di Ciaculli’. Our results report the evidence of gametic embryogenesis and the production of homozygous regenerants in almond and mandarin, two species extremely recalcitrant to microspore embryogenesis. However, the results are affected by many factors that need further studies to better understand the embryogenic development and to increase the rate of embryo achievement. Moreover, another biotechnological tool (ploidy manipulation) was also applied for implementing the IVIA loquat breeding program. Polyploid plants are of great interest in this species, due to its potential for producing seedless genotypes via direct use of triploids or crosses between tetra and diploids. Aimed at obtaining new loquat genotypes, with different ploidy levels (polyploids), colchicine was applied to seeds before germination, to induce chromosome duplication. A total of three triploids (3x) and one tetraploid (4x) were obtained.
Il miglioramento genetico ha come obiettivo la selezione di nuovi genotipi con caratteristiche superiori. Metodi convenzionali basati sull’ibridazione e metodi biotecnologici (ibridazione somatica, trasformazione genetica, manipolazione della ploidia, etc.) vengono utilizzati per creare nuova variabilità. Le biotecnologie forniscono potenti strumenti per il miglioramento genetico, per esempio, l'ottenimento di aploidi permette di ottenere linee omozigoti da parentali eterozigoti in un solo atto, riducendo in modo significativo il tempo necessario rispetto ai metodi convenzionali. Per quanto riguarda le specie legnose, caratterizzate spesso da auto-incompatibilità, lungo periodo giovanile ed alta eterozigosi, questa è l’unica tecnica per ottenere linee omozigoti. Le piante aploidi rivestono un elevato interesse per studi di genomica, per mutazioni, analisi genetica, mappatura genetica e trasformazione genetica. Questa ricerca ha avuto come obiettivo l’induzione di embriogenesi gametica in due importanti specie mediterranee: il mandorlo (Prunus dulcis Mill), tramite coltura in vitro di antere, ed il mandarino (Citrus reticulata Blanco), mediante coltura di microspore isolate. Inoltre, sono stati condotti esperimenti per indurre duplicazione cromosomica in nespolo (Eriobotrya japonica (Thunb.) Lindl.) al fine di ottenere genotipi con diversi livelli di ploidia. Gli esperimenti sono stati condotti nel 2014, 2015 e 2016 presso l’Università degli Studi di Palermo (UNIPA) e l'Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA). Per quanto riguarda la coltura di antere di mandorlo, è stata ottenuta la formazione di calli e la produzione di embrioni omozigoti tramite embriogenesi diretta. Inoltre, la rigenerazione di embrioni è stata ottenuta, per la prima volta, anche a partire da microspore isolate di ‘Mandarino Tardivo di Ciaculli’. I risultati ottenuti hanno consentito di indurre con successo l'embriogenesi gametica con produzione di rigeneranti omozigoti in mandorlo e mandarino, due specie estremamente recalcitranti a questa tecnica. Inoltre, un altro strumento biotecnologico (la manipolazione della ploidia) è stato applicato con l’obiettivo di implementare il programma di miglioramento genetico del nespolo dell’IVIA. Le piante poliploidi hanno un elevato interesse per questa specie, in quanto potrebbero consentire la produzione di genotipi apireni, attraverso la diretta utilizzazione di triploidi o tramite ibridazione tra tetra e diploidi. Con l'obiettivo di ottenere nuovi genotipi con diversi livelli di ploidia (poliploidi), è stata applicata una soluzione di colchicina su semi non germinati di nespolo al fine di indurre duplicazione cromosomica. Un totale di tre triploidi (3x) ed un tetraploide (4x) sono stati così ottenuti.
breeding, genetic resources, haploid, homozygosity, microspore embryogenesis, ploidy manipulation, in vitro culture.
Cimo', G.PLOIDY MANIPULATION FOR GENETIC IMPROVEMENT IN SOME MEDITERRANEAN FRUIT CROPS.
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