Перспективы использования соматической гибридизации для раcширения генетического разнообразия культурных растений и грибов

Авторы

  • Людмила Федоровна Кабашникова Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси
  • Любовь Валерьевна Пашкевич Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси
  • Ирина Николаевна Доманская Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси
  • Виктория Ивановна Лукша Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси
  • Cвятослав Николаевич Шпилевский Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси
  • Яна Николаевна Артемчук Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси
  • Софья Сергеевна Гордиенко Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси
  • Марина Андреевна Даркович Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

Ключевые слова:

соматическая гибридизация, протопласты, генетическая модификация, растения, грибы-антагонисты, биоконтроль, энтомопатогенные грибы

Аннотация

В данном обзоре рассматриваются фундаментальные и прикладные аспекты научных исследований в области клеточных технологий, которые позволяют создавать новые формы растений с заданными свойствами, что способствует ускорению селекционного процесса в 2–4 раза. Эффективное использование генетического разнообразия, присущего сельскохозяйственным растениям и их дикорастущим сородичам, а также формирование устойчивости к болезням с помощью соматической гибридизации и/или молекулярно-биологических методов приводит к получению культур с улучшенными свойствами и вносит значительный вклад в продовольственную и экологическую безопасность. В связи с этим возрастает актуальность включения клеточных технологий, и в частности, метода соматической гибридизации, в селекционные программы для ускоренного создания исходного материала и новых сортов или гибридов путем сочетания традиционных методов селекции и клеточных технологий. Несмотря на достигнутые успехи, в данной области исследований существует ряд проблем. Отсутствие стандартизированных, эффективных и воспроизводимых протоколов клеточной гибридизации in vitro часто препятствует их практическому использованию. Важным современным направлением биотехнологии является также повышение биологического потенциала энтомопатогенных грибов, которые применяются для биологической защиты растений от насекомых-вредителей, а также грибов-антогонистов для защиты растений от фитопатогенов. На основе совершенствования метода соматической гибридизации, основанной на слиянии протопластов, появилась возможность получения новых штаммов грибов, обладающих уникальными свойствами, что позволяет расширить спектр действия биопрепаратов, повысить биологическую эффективность полезных штаммов грибов, а также их устойчивость к факторам окружающей среды. В мировой научной литературе уже отмечены определенные успехи в этом направлении и созданы научные основы получения ценных межвидовых гибридов растений и грибов, что является отправной точкой для развития аналогичных исследований в Республике Беларусь.

Биографии авторов

  • Людмила Федоровна Кабашникова, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    член-корреспондент НАН Беларуси; доктор биологических наук, профессор; заведующий лабораторией

  • Любовь Валерьевна Пашкевич, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    кандидат биологических наук; доцент; старший научный сотрудник

  • Ирина Николаевна Доманская, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    кандидат биологических наук, доцент; старший научный сотрудник

  • Виктория Ивановна Лукша, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    кандидат биологических наук, доцент; старший научный сотрудник

  • Cвятослав Николаевич Шпилевский, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    кандидат биологических наук; старший научный сотрудник

  • Яна Николаевна Артемчук, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    младший научный сотрудник

  • Софья Сергеевна Гордиенко, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    младший научный сотрудник

  • Марина Андреевна Даркович, Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси

    младший научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. Spiridovich EV. Botanicheskie kollektsii: dokumentirovanie i biotekhnologicheskie aspekti ispolzovaniya [Botanical collections. Documentation and biotechnological aspects of use]. Minsk: Belorusskaya nauka; 2015. 226 p. Russian.
  2. Kurina AB, Artemeva AM. Vozmozhnosti ispolzovaniya biotekhnologicheskikh metodov v selektsii ovoshchnikh kultur v laboratorii selektsii i kletochnikh tekhnologii VIR [Possibilities of biotechnological methods in breeding of vegetable crops at the VIR Laboratory of Breeding and Cell Technologies]. Plant Biotechnology and Breeding. 2022;5(4):55–64. DOI: 10.30901/2658-6266-2022-4-o2. Russian.
  3. Butenko RG. Biologiya kletok visshikh rastenii in vitro i biotekhnologii na ikh osnove [Biology of higher plant cells in vitro and biotechnology based on them]. Moscow: FBK-PRESS; 1999. 158 p. Russian.
  4. Verpoorte R, Choi YH, Kim HK. NMR-based metabolomics at work in phytochemistry. Phytochemistry Reviews. 2007;6(1):3–14. DOI: 10.1007/s11101-006-9031-3.
  5. Pivovarov VF, Shmikova NA, Suprunova TP. Biotekhnologicheskie priemi v selektsii ovoshchnikh kultur [Biotechnological methods in vegetable crop breeding]. Vegetable crops of Russia. 2011;3(12):10–17. Russian.
  6. Moon J, Skibbe D, Timofejeva L, et al. Regulation of cell divisions and differentiation by male sterility 32 is required for anther development in maize. The Plant Journal. 2013; 76(4):592–602.
  7. Carlson PS, Smith HH, Dearing RD. Parasexual interspecific plant hybridization. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1972;69(8):2292–2294.
  8. Shuro AR. Review Paper on the Role of Somatic Hybridization in Crop Improvement. International Journal of Research Studies in Agricultural Sciences (IJRSAS). 2018;4(9):1–8. DOI: 10.20431/2454-6224.0409001.
  9. Brown DCW, Thorpe TA. Crop improvement through tissue culture. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 1995;11(4):409–415.
  10. Sink KC, Jain RK, Chowdhury JB. Somatic cell hybridization. In: Distant Hybridization of Crop Plants. Berlin: Springer-Verlag; 1992. p. 168–198.
  11. Polivanova OB, Yegorova AS, Sivolapova AB, et al. Tekhnologiya protoplastov i somaticheskaya gibridizatsiya kartofelya – sovremennoe sostoyanie i perspektivi (obzor) [Current state and prospects of protoplast technology and potato somatic hybridization (review)]. Agricultural Science Euro-North-East. 2023;24(1):7–19. DOI: 10.30766/2072-9081.2023.24.1.7-19. Russian.
  12. Begna T. Review on Somatic Hybridization and Its Role in Crop Improvement. Journal of Biology, Agriculture and Healthcare. 2020;10(11):29–40.
  13. Melchers G, Sacristán MD, Holder AA. Somatic hybrid plants of potato and tomato regenerated from fused protoplasts. Carlsberg Research Communications. 1978;43(4):203–218.
  14. Bruznican S, Eeckhaut T, Van Huylenbroeck J, et al. An asymmetric protoplast fusion and screening method for generating celeriac cybrids. Scientific Reports. 2021;11(1):4553. DOI: 10.1038/s41598-021-83970-y.
  15. Reski R, Faust M, Wang XH, et al. Genome analysis of the moss Physcomitrella patens (Hedw.) B. S. G. Molecular and General Genetics. 1994;244(4):352–359.
  16. Muralidhar RV, Panda T. Monoclonal antibodies specific against tumors and viral infections. Bioprocess Engineering. 2000;22(5):421–427.
  17. Gavrilenko TA, Yermishin AP. Mezhvidovaya gibridizatsiya kartofelya: teoreticheskie i prikladnie aspekti [Interspecific hybridization of potato: theoretical and applied aspects]. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2017;21(1):16–29. DOI: 10.18699/VJ17.220. Russian.
  18. Austin S, Lojkowska E, Ehlenfeldt MK, et al. Fertille interspecific somatic hybrids of Solanum: a novelsource of resistance to Erwinia soft rot. Phytopathology. 1988;78(9):1216–1220.
  19. Kim SR, Ahn YK, Kim TG, et al. Breeding of a new cultivar «Jeseo» with resistant to common scab. Korean Journal of Breeding Science. 2013;45(4):468–473.
  20. Taranukho GI. Selektsiya i semenovodstvo selskokhozyaistvennikh kultur: uchebnoe posobie dlya agronomicheskikh spetsialnostei selkokhozyaistvennikh vishikh uchebnikh zavedenii [Selection and seed production of agricultural crops: a textbook for agronomic specialties in agricultural higher education institutions.]. Minsk: Uradzhai; 2001. 314 p. Russian.
  21. Helgeson JP, Hunt GJ, Haberlach GT, et al. Somatic hybrids between Solanum brevidens and Solanum tuberosum: Expression of a late blight resistance gene and potato leaf roll resistance. Plant Cell Reports. 1986;5(3):212–214
  22. Rokka VM, Xu YS, Kankila J, et al. Identification of somatic hybrids of dihaploid Solanum tuberosum lines and S. brevidens by species specific RAPD patterns and assessment of disease resistance of the hybrids. Euphytica. 1994;80:207–217. DOI: 10.1007/BF00039652.
  23. Waara S, Glimelius К. The potential of somatic hybridization in crop breeding. Euphytica. 1995;85:217–233. DOI: 10.1007/BF00023951.
  24. Rokka VM, Tauriainen A, Pietilä L, et al. Interspecific somatic hybrids between wild potato Solanum acaule Bitt. and anther-derived dihaploid potato (Solanum tuberosum L.). Plant Cell Reports. 1998;18:82–88. DOI: 10.1007/s002990050536.
  25. Tiwari JK, Devi S, Ali N, et al. Progress in somatic hybridization research in potato during the past 40 years. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2018;132:225–238. DOI: 10.1007/s11240-017-1327-z.
  26. Orczyk W, Przetakiewicz J, Nadolska-Orczyk A. Somatic hybrids of Solanum tuberosum – application to genetics and breeding. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2003;74:1–13. DOI: 10.1023/A:1023396405655.
  27. Tiwari JK, Poonam, Sarkar D, et al. Molecular and morphological characterization of somatic hybrids between Solanum tuberosum L. and S. etuberosum Lindl. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2010;103:175–187. DOI: 10.1007/s11240-010-9765-x.
  28. Sarkar D, Tiwari JK, Sharma SH, et al. Production and characterization of somatic hybrids between Solanum tuberosum L. and S. pinnatisectum Dun. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2011;107:427–440. DOI: 10.1007/s11240-011-9993-8.
  29. Yakovleva GA. Somaticheskaya gibridizatsiya i kletochnaya selektsiya kartofelya (Solanum tuberosum L.) [Somatic hybridization and cell selection of potatoes (Solanum tuberosum L.)]. In: Geneticheskie osnovi selektsii rastenii = The genetic basis of plant breeding. Minsk: Belorusskaya nauka; 2012. Volume 3. p. 217–250. Russian.
  30. Yan CQ, Quian KX, Yan QS, et al. Use of asymmetric somatic hybridization for transfer of the bacterial blight resistance trait from Oryza meyeriana L. to O. sativa L. ssp. japonica. Plant Cell Reports. 2004;22:569–575
  31. Sedlák P, Sedláková V, Vašek J, et al. Phenotypic, molecular and biochemical evaluation of somatic hybrids between Solanum tuberosum and S. bulbocastanum. Scientific Reports. 2022;12(1):4484. DOI: 10.1038/s41598-022-08424-5.
  32. Fossi M, Amundson KR, Kuppu S, et al. Regeneration of Solanum tuberosum plants from protoplasts induces widespread genome instability. Plant Physiology. 2019;180(1):78–86. DOI: 10.1104/pp.18.00906.
  33. Jiang M, Wu X, Song Y, et al. Effects of OsMSH6 mutations on microsatellitest ability and homeologous recombination in rice. Frontiers in Plant Science. 2020;1:220. DOI: 10.3389/fpls.2020.00220.
  34. Stasz TE. Genetic improvement of fungi by protoplast fusion for biological control of plant pathogens. Canadian Journal of Plant Pathology. 1990;12:322–327.
  35. Siegwart M, Graillot B, Blachere Lopez C, et al. Resistance to bio-insecticides or how to enhance their sustainability: a review. Frontiers in Plant Science. 2015;6:381. DOI: 10.3389/fpls.2015.00381
  36. Lukhmenyov VP. Fitopatologiya: uchebnoe posobie dlya studentov vuzov, obuchayushchikhsya po spetsialnosti «Agronomiya» [Phytopathology: textbook for university students studying «Аgronomy»]. Orenburg: OSAU; 2012. 299 p. Russian.
  37. Sevnitskaya NL. Gorizontalnaya peredacha entomopatogennogo griba Beauveria bassiana sredi zhukov koroeda tipografa [Horizontal transmission of the entomopathogenic fungus Beauveria bassiana among the bark beetles]. In: Sovremennoe sostoyanie i perspektivi okhrani i zashchiti lesov v sisteme ustoichivogo razvitiya [Current state and prospects of forest conservation and protection in the system of sustainable development]. Gomel: Forestry Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; 2013. p. 118–121. Russian.
  38. Khizhnyak PA, Beglyarov GA, Stativkin VG, et al. Khimicheskaya i biologicheskaya zashchita rastenii [Chemical and biological plant protection]. Moscow: Kolos; 1971. 215 p. Russian.
  39. Ikkei S. Efficacy of a Fungal Biopesticide for Bed Bug Management Is Influenced by the Toxicity and Associated Behavioral Avoidance of Harborages on Insecticide-Impregnated Box Spring Covers. Journal of Economic Entomology. 2020;113(6):2850–2857. DOI: 10.1093/jee/toaa227
  40. Tangthirasunun N, Poeaim S, Soytong K, et al. Variation in morphology and ribosomal DNA among isolates of Metarhizium anisopliae from Thailand. International Journal of Agricultural Technology. 2010;6(2):317–329.
  41. Meyling NV, Eilenberg J. Ecology of the Entomopathogenic Fungi Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae in Temperate Agroecosystems: Potential for Conservation Biological Control. Biological Control. 2007;43(2):145–155. DOI: 10.1016/j. biocontrol.2007.07.007
  42. Lovett B, St Leger RJ. Genetically engineering better fungal biopesticides. Pest Management Science. 2018;74(4):781–789. DOI: 10.1002/ps.4734
  43. Anam S, Batool F, Zafar N. Biotechnological Interventions for Fungal Strain Improvement. In: Phytomycology and Molecular Biology of Plant Pathogen Interactions. Boca Raton: CRC Press; 2022. p. 125–138.
  44. Cook JR, Baker KF. The Nature and Practice of Biological Control of Plant Pathogens. St. Paul: American Phytopathological Society; 1983. 539 р.
  45. Ahmad JS, Baker R. Rhisosphere competence in Trichoderma harzianum. Phytopathology. 1987;77(2):182–189.
  46. Rowlands RT. Industrial fungal genetics and strain selection. In: The Filamentous Fungi. Fungal Technology. Glasgow: Edward Arnold; 1983. p. 346–372.
  47. Mishra NC, Tatum EL. Non-Mendelian inheritance of DNA-induced inositol independence in Neurosphora. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1973;70(12):3875–3879.
  48. Case ME, Schweizer M, Kushmer SR, et al. Efficient transformation of Neurospora crassa by utilizing hybrid plasmid DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1979;76(10):5259–5263.
  49. Fincham JRS. Transformation in fungi. Microbiological Reviews. 1989;53(1):148–170.
  50. Timberlake WE, Marshall MA. Genetic engineering of filamentous fungi. Science. 1989;244(4910):1313–1317.
  51. Ferenczy L. Fungal protoplast fusion: basic and applied aspects. In: Cell Fusion: Gene Transfer and Transformation. New York: Raven Press; 1984. p. 145–169.
  52. Ferenczy L, Farkas GL. Advances in Protoplast Research. Oxford: Pergamon Press Ltd.; 1979. 511 p.
  53. Peberdy JF, Ferenczy L. Fungal Protoplasts. Application in Biochemistry and Genetics. New York: Marcel Decker, Inc.; 1985. 354 p.
  54. Hamlyn PF, Bradshaw RE, Mellon FM, et al. Efficient protoplast isolation from fungi using commercial enzymes. Enzyme and Microbial Technology. 1981;3:321–325.
  55. Zonneveld BJM. Inhibiting effect of 2-deoxyglucose on cell wall alpha 1,3-glucan synthesis and cleistothecium development in Aspergillus nidulans. Developmental Biology. 1973;34(1):1–8.
  56. Stasz TE, Harman GE, Gullino ML. Limited vegetative compatibility following intra- and interspecific protoplast fusion in Trichoderma. Experimental Mycology. 1989;13(4):364–371.
  57. Anne J, Peberdy JF. Conditions for induced fusion of fungal protoplasts in polyethylene glycol solution. Archives of Microbiology. 1975;105(3):201–205.
  58. Anne J, Peberdy JF. Induced fusion of fungal protoplasts following treatment with polyethylene glycol. Journal of General Microbiology. 1976;92(2):413–417.
  59. Harman GE, Stasz TE. Fluorescent vital stains for complementary labelling of protoplasts from Trichoderma spp. Stain Technology. 1988;63(4):241–247.
  60. Hassan MM. Influence of protoplast fusion between two Trichoderma spp. on extracellular enzymes production and antagonistic activity. Biotechnology & Biotechnological Equipment. 2014;28(6):1014–1023. DOI: 10.1080/13102818.2014.978206.

Загрузки

Опубликован

2026-08-10

Выпуск

№ 2 (2026): Журнал Белорусского государственного университета. Экология

Раздел

Изучение и реабилитация экосистем

Как цитировать

[1]
Кабашникова, Л. и др. 2026. Перспективы использования соматической гибридизации для раcширения генетического разнообразия культурных растений и грибов. Журнал Белорусского государственного университета. Экология. 2 (авг. 2026), 31–42.