Doubled haploid ramets via embryogenesis of haploid tissue cultures

Tissue culture in the oil palm business is generally concerned with the multiplication (clonal production) of dura, pisifera and tenera palms. These are all normal diploids (2n=2x=36). Sumatra Bioscience has pioneered haploid tissue culture of oil palm (n=x=18). Haploid oil palm is the first step in producing doubled haploid palms which in turn provide parental lines for F1 hybrid production. Chromosome doubling is known to occur during embryogenesis in other haploid cultures, e.g. barley anther culture. Haploid tissue cultures in oil palm were therefore set up to investigate and exploit spontaneous chromosome doubling during embryogenesis. Flow cytometry of embryogenic tissue showed the presence of both haploid (n) and doubled haploid (2n) cells indicating spontaneous doubling. Completely doubled haploid ramets were regenerated suggesting that doubling occurred during the first mitoses of embryogenesis. This is the first report of doubled haploid production in oil palm via haploid tissue culture. The method provides a means of producing a range of doubled haploids in oil palm from the 1,000 plus haploids available at Sumatra Bioscience, in addition the method also produced doubled haploid (and haploid) clones. 1.

Cryopreservation of cocoa (Theobroma cacao L.) somatic embryos by vitrification

Losses of cultivated cocoa (Theobroma cacao L.) due to diseases and continued depletion of forests that harbour the wild progenitors of the crop make ex situ conservation of cocoa germplasm of paramount importance. In order to enhance security of in situ germplasm collections, 2-3 mm floral-derived secondary somatic embryos were cryopreserved by vitrification. This work demonstrates the most uncomplicated clonal cocoa cryopreservation. Optimal post-cryostorage survival (74.5%) was achieved by 5 d preculture of SSEs on 0.5 M sucrose medium followed by 60 min dehydration in cold PVS2. To minimise free radical related cryo-injury, cation sources were removed from the embryo development solution and/or the recovery medium, the former treatment resulting in a significant benefit. After optimisation with cocoa genotype AMAZ 15, the same protocol was effective across all five additional cocoa genotypes tested. For the multiplication of clones, embryos regenerated following cryopreservation were used as explant sources, and vitrification was found to maintain their embryogenic potential.

Overexpression of coconut AINTEGUMENTA-like gene, CnANT, promotes in vitro regeneration in transgenic Arabidopsis

Knowledge of the molecular biological changes underlying the process of embryogenesis is important for the improvement of somatic embryogenesis of coconut. Among the transcription factors that control the transition from vegetative to embryogenic growth, members of APETALA2/Ethylene-responsive element binding protein domain family play an important role in promoting embryo development. Significant insights into the role of AP2 genes have been obtained by the ectopic expression of AP2 sub family genes in transgenic Arabidopsis. A homolog of the AINTEGUMENTA-like gene that encodes the two AP2 domains and the linker region was identified in the coconut genome. Phylogenetic analysis showed that this gene, CnANT, encodes a protein that branched with BABY BOOM/PLETHORA clade in the AINTEGUMENTA-like major clade and was similar to the oil palm EgAP2-1 protein. According to real time RT-PCR results, higher expression of CnANT was observed in more mature zygotic embryos. Also, high CnANT expression was recorded in embryogenic callus compared to other stages of somatic embryogenesis. We examined the effect of ectopic CnANT expression on the development and regenerative capacity of transgenic Arabidopsis. Overexpression of CnANT in Arabidopsis induced hormone free regeneration of explants. Furthermore, ectopic expression of CnANT enhanced regeneration in vitro and suggested a role for this gene in cell proliferation during in vitro culture.

Global scale transcriptome analysis of Arabidopsis embryogenesis in vitro

Background Somatic embryogenesis (SE) in plants is a process by which embryos are generated directly from somatic cells, rather than from the fused products of male and female gametes. Despite the detailed expression analysis of several somatic-to-embryonic marker genes, a comprehensive understanding of SE at a molecular level is still lacking. The present study was designed to generate high resolution transcriptome datasets for early SE providing the way for future research to understand the underlying molecular mechanisms that regulate this process. We sequenced Arabidopsis thaliana somatic embryos collected from three distinct developmental time-points (5, 10 and 15 d after in vitro culture) using the Illumina HiSeq 2000 platform. Results This study yielded a total of 426,001,826 sequence reads mapped to 26,520 genes in the A. thaliana reference genome. Analysis of embryonic cultures after 5 and 10 d showed differential expression of 1,195 genes; these included 778 genes that were more highly expressed after 5 d as compared to 10 d. Moreover, 1,718 genes were differentially expressed in embryonic cultures between 10 and 15 d. Our data also showed at least eight different expression patterns during early SE; the majority of genes are transcriptionally more active in embryos after 5 d. Comparison of transcriptomes derived from somatic embryos and leaf tissues revealed that at least 4,951 genes are transcriptionally more active in embryos than in the leaf; increased expression of genes involved in DNA cytosine methylation and histone deacetylation were noted in embryogenic tissues. In silico expression analysis based on microarray data found that approximately 5% of these genes are transcriptionally more active in somatic embryos than in actively dividing callus and non-dividing leaf tissues. Moreover, this identified 49 genes expressed at a higher level in somatic embryos than in other tissues. This included several genes with unknown function, as well as others related to oxidative and osmotic stress, and auxin signalling. Conclusions The transcriptome information provided here will form the foundation for future research on genetic and epigenetic control of plant embryogenesis at a molecular level. In follow-up studies, these data could be used to construct a regulatory network for SE; the genes more highly expressed in somatic embryos than in vegetative tissues can be considered as potential candidates to validate these networks.

A novel regeneration system for a wild passion fruit species (Passiflora cincinnata Mast.) based on somatic embryogenesis from mature zygotic embryos

The objective of the present work was to induce somatic embryogenesis from zygotic embryos of Passiflora cincinnata Masters. Zygotic embryos formed calli on media with different concentrations of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) and 4.5 mu M benzyladenine (BA) after 30 days of in vitro culture. A concentration of 18.1 mu M 2,4-D resulted in the largest number of somatic embryos. Embryogenic calli were yellowish and friable, forming whitish proembryogenic masses. Morphologically, embryogenic cells were small and had large nuclei and dense cytoplasm, whereas non-embryogenic cells were elongated, with small nuclei and less dense cytoplasm. Calli cultured under white light on basal Murashige and Skoog`s medium with activated charcoal produced embryos in all developmental stages. There were differences among the treatments, with some leading to the production of calli with embryos and some only to callus formation. Some abnormalities were associated with somatic embryos, including fused axes, fused cotyledons and polycotyledonary embryos. Production of secondary somatic embryos occurred in the first cycle of primary embryo development. Secondary embryos differentiated from the surface of the protodermal layer of primary embryos with intense cell proliferation, successive mitotic divisions in the initial phase of embryoid development, and a vascular system formed with no connection to the parental tissue. This secondary embryogenic system of P. cincinnata is characterized by intense proliferation and maintenance of embryogenic competence after successive subcultures. This reproducible protocol opens new prospects for massive propagation and is an alternative to the current organogenesis-based transformation protocol.

Nitrosyl ethylenediaminetetraacetate ruthenium(II) complex promotes cellular growth and could be used as nitric oxide donor in plants

Over recent years nitric oxide (NO) not only has appeared as an important endogenous signaling molecule in plants and as a mediator in many developmental and physiological processes, but has also received recognition as a plant hormone. The impressive recent achievements in elucidating the role of NO in plants have come about by the application of NO donors. The aim herein was to study the effects of the different NO donors, sodium nitroprusside (SNP) and the nitrosyl ethylenediaminetetraacetate ruthenium(II) ([Ru(NO)(Hedta)]) complex on cellular growth in embryogenic suspension cultures of Araucaria angustifolia. Appraisal of our data revealed that [Ru(NO)(Hedta)] stimulated about 60% of cellular growth in embryogenic suspension cultures of A. angustifolia, with results similar to those observed with the SNP donor. Nevertheless, application of the NO scavenger PTIO (2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide) inhibited this cellular growth in both. Cellular growth was correlated with an increase in endogenous NO levels after 21 days of culture, especially in treatments with NO donors. Our results demonstrated that the [Ru(NO)Hedta] complex could possibly be used as a NO donor in plants. (C) 2010 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Transformação genética em cevada por bombardeamento de partículas

A presente Tese de Doutorado objetivou: (1) definir um método eficiente de transformação genética, por bombardeamento de partículas, para a obtenção de plantas transgênicas de cultivares brasileiras de cevada e (2) identificar gene(s) codificante(s) de quitinase(s) potencialmente capaz(es) de conferir resistência ao fungo patogênico de cevada Bipolaris sorokiniana. Culturas de calos obtidos a partir de escutelos imaturos das cultivares Brasileiras de cevada MN-599 e MN-698 (Cia. de Bebidas das Américas, AMBEV) foram bombardeadas com partículas de tungstênio e avaliadas quanto à expressão do gene repórter gusA através de ensaios histoquímicos de GUS e quanto ao efeito dos bombardeamentos na indução estruturas embriogênicas e regeneração de plantas. As condições de biobalística analisadas incluíram a região promotora regulando a expressão de gusA, tipo e pressão de gás hélio de dois aparelhos de bombardeamento, distância de migração das partículas, número de tiros e a realização de pré e pós-tratamento osmótico dos tecidos-alvo. No presente trabalho foram obtidos um número bastante alto de pontos azuis por calo, a indução de calos embriogênicos e embriões somáticos em uma freqüência de até 58,3% e a regeneração de 60 plantas, sendo 43 de calos bombardeados. As melhores condições observadas foram o promotor e primeiro íntron do gene Adh de milho (plasmídeo pNGI), o aparelho de bombardeamento “ Particle Inflow Gun” (PIG) utilizando-se a distância de migração de partículas de 14,8 cm, dois tiros disparados por placa e a realização de tratamento osmótico dos explantes com 0,2 M de manitol e 0,2 M de sorbitol 4-5 horas antes e 17-19 horas depois dos bombardeamentos. Das 43 plantas obtidas de calos bombardeadas, 3 apresentaram atividade de GUS na base das suas folhas. A utilização de primers sintéticos definidos a partir de genes de quitinases descritos na literatura em PCRs resultou na amplificação de dois fragmentos de aproximadamente 700 e 500 pb a partir de DNA total das cvs. MN-599 e MN-698 de cevada e um fragmento, com aproximadamente 500 pb, a partir do DNA total do isolado A4c de Trichoderma sp. Estes fragmentos foram purificados dos géis de agarose e diretamente seqüenciados de forma manual e automática. Os fragmentos de 700 e 500 pb amplificados do genoma da cultivar MN-599 foram identificados como genes de quitinases de cevada e o fragmento de 500 pb do isolado A4c de Trichoderma sp. não apresentou homologia com seqüências conhecidas de quitinases depositadas no EMBL/GenBank. A utilização de novos pares de primers, representando seqüências conservadas de quitinases do fungo Metarhizium anisopliae, resultou na amplificação de 3 fragmentos a partir do DNA total do isolado A4b de Trichoderma sp., que estão sendo purificados para realização de seqüenciamento.

Cultura de anteras e embriogênese de genótipos selecionados de cevada (Hordeum vulgare L.ssp.vulgare)

A eficiência da técnica de cultura de anteras, em escala comercial, ainda pode ser considerada baixa quando medida em número de plantas duplo-haplóides férteis obtidas para cada antera estabelecida in vitro. Dessa forma, o presente trabalho é pioneiro no estudo detalhado da embriogênese in vitro do micrósporo e do grão de pólen de cevada (Hordeum vulgare L. ssp. vulgare). Com o objetivo de contribuir para o aperfeiçoamento da técnica de cultura de anteras foi analisada a embriogênese, com especial ênfase na etapa da indução, através de análises citológicas e histológicas de anteras cultivadas in vitro. Foram analisadas uma cultivar brasileira de cevada, em comparação com linhagens de duas outras cultivares brasileiras, que foram selecionadas, por seleção divergente para maior ou para menor resposta na indução da rota embriogênica e, respectivamente, para menor ou para maior capacidade de regenerar plântulas verdes. Somente foram estabelecidas em cultivo in vitro as anteras que apresentaram micrósporos e pólens jovens, das linhagens selecionadas da cultivar A-05 (S3A22 e S3A23), e da cultivar BR-2(S3B63 e, apenas na cultura de anteras, S3B61), bem como da cultivar MN-599 (nãoselecionada). Para as análises histológicas, foram fixadas, a cada dois dias, duas anteras, correspondentes a cada fileira da mesma espiga, após o início do cultivo in vitro. As anteras em cultivo e respectivas estruturas multicelulares foram fixadas em FAA 50%, desidratadas em série etílica e incluídas em hidroxietilmetacrilato. Os blocos de resina polimerizada foram secionados longitudinalmente com 3 mm de espessura. Para as análises citológicas foram fixadas, de cada espiga recém-coletada, três espiguetas sendo uma da base, outra do meio e outra do ápice. Após o pré-tratamento à baixa temperatura (5 °C), porém antes do cultivo in vitro, foram fixadas três anteras (amostras utilizadas como controles). A cada três dias, durante o cultivo, três anteras foram fixadas (até 18 dias). As anteras em cultivo e estruturas multicelulares foram fixadas em Farmer e FAA 50%, transferidas após 24 horas para etanol 70%. Na cultura in vitro das anteras houve diferenças entre uma das linhagens da cultivar A-05 em relação a cultivar MN- 599, na produção inicial de estruturas embriogênicas, diferença que desapareceu na produção total. Entretanto, houve diferenças na formação dos xiii embriões: a cv.MN-599 formou embriões bem diferenciados ao passo que a linhagem S3A22 produziu um número aparentemente menor, sendo que os embriões não eram bem diferenciados. A linhagem S3B63 não apresentou embriões até o final da análise histológica. Considerando que a amostra dessa linhagem, mantida em cultura, formou plantas verdes, pode-se propor que a formação de embriões deve ocorrer posteriormente ao desenvolvimento da cv.MN-599. Cabe destacar que houve diferenças significativas entre as cultivares A-05 e BR-2 quanto à regeneração de plântulas verdes. Esses resultados indicam ter havido maior eficiência da seleção em relação à etapa da regeneração. Com relação às categorias classificatórias dos micrósporos e grãos de pólen, constatou-se que desde o início da análise histológica (2o dia de cultivo in vitro) até o final (34o dia), foram observados micrósporos, o mesmo tendo sido observado na análise citológica. Os grãos de pólen multinucleados ocorreram praticamente em todo o período de cultivo in vitro, em ambas análises; não ocorrendo nos controles da citologia (antes do cultivo); os multinucleados foram observados a partir do 3o dia, enquanto que os multicelulares a partir do 4o dia de cultivo. As estruturas multicelulares foram observadas a partir do 8o dia. A quantidade e o tamanho das estruturas multicelulares foram variáveis ao longo da análise histológica, sendo que do 14o ao 20o dia foram encontradas as de maiores dimensões, resultantes da proliferação celular por mitoses sucessivas. A partir do 22o dia (cultivar MN- 599), a ocorrência de estruturas multicelulares no interior dos lóculos da antera diminuiu, predominando o processo de proliferação externo às anteras. Para as linhagens, a partir do 18o dia foram observadas estruturas multicelulares liberadas das anteras. A análise das estruturas multicelulares permitiu classificá-las em quatro categorias: 1. SFD: Sem forma definida; 2. MAC: meristema apical caulinar; 3. MAR: meristema apical radical embrionário adventício; e 4. Embriões. As estruturas amorfas apareceram em maior número, quando comparadas com as outras categorias. Em síntese: as linhagens selecionadas e a cultivar diferiram não apenas no tempo necessário para a formação dos embriões, mas também no desenvolvimento dos mesmos, que foi mais diferenciado na cultivar MN-599, porém sendo observados mais cedo na linhagem S3A22 e S3A23, do que na cultivar MN-599.

Avaliação da eficiência de co-transformação de soja (Glycine max (L.) Merrill) via bombardeamento de partículas utilizando um gene de seleção e um gene de interesse em plamídeos diferentes

Visando aumentar a resistência a moléstias fúngicas, o presente trabalho teve como objetivo introduzir um gene (chit1) que codifica uma quitinase do fungo Metarhizium anisopliae em cultivares de soja [Glycine max (L.) Merrill]. A co-transformação foi a estratégia escolhida, visando a obtenção de plantas livres de transgenes marcadores na progênie das plantas transformadas. A co-transformação foi realizada via biolística, tendo como tecido-alvo conjuntos de embriões somáticos globulares das cultivares MG/BR46 Conquista e IAS-5. O plasmídeo pGusHyg, que contém o gene repórter gusA e o gene marcador hpt, foi bombardeado concomitantemente com o plasmídeo pMOG463chit1, que porta o gene chit1. Os conjuntos de embriões bombardeados foram transferidos para meio seletivo contendo higromicina, visando a obtenção de material estavelmente transformado. Os conjuntos embriogênicos higromicina-resistentes foram transferidos seqüencialmente para meios de proliferação D-20 (sem higromicina), maturação e regeneração. No total, foram obtidos 387 e 380 embriões histodiferenciados das cultivares MG/BR46 Conquista e IAS-5, respectivamente. Plantas transgênicas adultas e férteis foram regeneradas. Para avaliar a eficiência da estratégia de cotransformação, foram realizadas análises moleculares de embriões histodiferenciados e de plantas regeneradas. Os resultados obtidos neste trabalho permitiram o cálculo da taxa de co-transformação de 44% para os embriões histodiferenciados da cultivar MG/BR46 Conquista e de 50% para plantas de IAS-5. Não existem, até o momento, relatos de trabalhos em soja utilizando embriões somáticos globulares em proliferação como alvo para estudos de co-transformação.

Caracterização da mutagênese por inserção do retrotransposon Tos17 em genótipos de arroz

O aumento do potencial produtivo da cultura de arroz via melhoramento genético está principalmente relacionado ao rendimento, a qualidade de grãos e a obtenção de plantas resistentes a doenças e pragas. Neste caso, deve ser explorada a variabilidade genética natural ou induzida através de agentes mutagênicos físicos, químicos ou biológicos. A vantagem do uso de mutagênicos biológicos, como os transposons e os retrotransposons, é que ao serem inseridos podem interrompem um gene causando uma mutação. Esta retrotransposição deixa uma marca que possibilita a identificação molecular do local de inserção. No presente trabalho, foi utilizada a estratégia de mutagênese insercional através de eventos de transposição do retrotransposon Tos17, induzido por cultura in vitro. A análise de diferentes genótipos de arroz é muito importante para avaliar se a transposição ocorre de forma similar em genótipos distintos. Foram avaliados calos embriogênicos de cultivares que têm um histórico de variabilidade genética em homozigose, linhagens obtidas através de cruzamentos com espécies silvestres e ecótipos de arroz vermelho, submetidos a 6 meses de cultura in vitro. O método escolhido para avaliar o número de cópias de Tos17 em calos embriogênicos foi a quantificação relativa por PCR em tempo real. A identificação dos genes mutados pela inserção do retrotransposon foi feita através do isolamento e amplificação das seqüências que flanqueiam os insertos de Tos17. O resultado deste experimento indica um aumento no número de cópias de Tos17 em 8 dos 21 genótipos avaliados. O seqüenciamento dos fragmentos de DNA que flanqueiam os insertos do retrotransposon Tos17, indicaram alta similaridade com seqüências genômicas não codificantes de arroz.

Calli induction in leaf explants of coffee elite genotypes

Visando a alcançar alta eficiência na indução de calos a partir de explantes foliares de plantas matrizes de C. arabica com alta heterozigose, por meio da embriogênese somática indireta, foram instalados três experimentos. O primeiro experimento foi conduzido em esquema fatorial 2x5, constituído de dois meios de cultura (BOXTEL & BERTHOULY, 1996 e TEIXEIRA et al., 2004) e cinco genótipos de C. arabica. No segundo experimento, foi avaliado o potencial de produção de calos embriogênicos em 10 genótipos, sendo cada genótipo considerado como um tratamento e, no terceiro experimento, foram avaliadas as variações nas concentrações de 2.4-D (2,5 e 20µM) e 2-iP (2,5 e 20µM) nos meios primário e secundário de TEIXEIRA et al. (2004). As culturas foram mantidas a 25oC, sob obscuridade. Para os genótipos 2.2 e 7.2, verificou-se a superioridade do meio de cultura Teixeira et al. (2004) em relação ao meio BOXTEL & BERTHOULY (1996). No genótipo 4.2, observou-se o comportamento inverso, ou seja, a superioridade do meio BOXTEL & BERTHOULY (1996). Os genótipos 3.0 e 5.0 apresentaram o mesmo comportamento em ambos os meios de cultura estudados, evidenciando que a produção de embriões somáticos é fortemente dependente do genótipo. A indução de calos depende da relação de 2-iP e 2.4-D. A combinação de 20.0µM of 2.4-D e 20.0µM of 2-iP promoveu a maior porcentagem de indução de calos embriogênicos.

Induction of somatic embryogenesis in soybean: physicochemical factors influencing the development of somatic embryos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A quantitative nature of somatic embryogenesis in soybean

The objectives of this research were to investigate the genetic parameters associated with the in vitro formation of somatic embryos in soybean and to determine the effect of light intensity on the embryogenic capability of F-1, F-2, and backcross (RC1P1 and RC1P2) progenies derived from crosses between embryogenic (IAS-5 and Embrapa-1) and nonembryogenic (Parana) cultivars. Immature cotyledons (4-6 mm in length) derived from the parental lines, F-1, F-2, RC1P1, and RC1P2 were grown for 90 d on the inductive N10 medium, after which the number of somatic embryos was recorded. Chi-square tests for goodness of fit showed that the genetic component of the somatic embryogenesis trait is controlled in a quantitative manner by approximately 10 genes. A normal distribution for somatic embryo formation in the F-2 generations was observed reinforcing the quantitative nature of the trait. Variation in light intensity (8-12 and 27-33 mu mol m(-2) s(-1)) had no effect on somatic embryo formation in the parental material tested.

Capacidade embriogênica da cultivar IAS-5 de soja

O objetivo deste trabalho foi estudar o controle genético da formação de embriões somáticos da cultivar IAS-5 de soja. O experimento foi conduzido em casa de vegetação, cultivando-se quatro plantas por vaso, sob fotoperíodo de 14 horas e temperatura em torno de 28°C. Efetuaram-se cruzamentos entre os parentais não-embriogênicos (cultivares IAC-6, Paraná e IAC-15) e embriogênico (cultivar IAS-5) e retrocruzamentos para obtenção das gerações F1, F2,RC1P1 e RC1P2. Cotilédones imaturos, com 4-6 mm de comprimento, derivados dos parentais das gerações F1, F2, RC1P1 e RC1P2 foram cultivados em placas de Petri contendo meio N10, por um período de 90 dias, em câmara de crescimento. Os embriões somáticos derivados da indução foram contados, e os números, usados para obtenção dos parâmetros genéticos. Os resultados obtidos mostraram que o caráter capacidade de produção de embriões somáticos da cultivar IAS-5 é de natureza quantitativa e controlado por, aproximadamente, 20 genes.

Morphological and histochemical study of the myotomal muscle in pacu (Piaractus mesopotamicus Holmberg, 1887) during the initial growth phases

Morphological and histochemical methods were used to evaluate the myotomal muscle characteristics of pacu (Piaractus mesopotamicus) from hatching to 40 days old. During the larval period, the musculature consisted predominantly of white muscle. White and red muscle mass increased at 10, 20, 30 and 40 days after hatching. The larvae had round muscle fibers with a moderate degree of maturation and central nuclei. In subsequent phases, small and immature fibers were visible near larger and more differentiated fibers. Undifferentiated cells or presumptive myoblasts located in embryogenic zones were visible in the dorsal and ventral regions, and were more evident at 30 and 40 days. The red muscle fibers located in the subdermal region, had oxidative metabolism and slow contraction, whereas the more predominant white muscle fibers had glycolytic metabolism and fast contraction. Our findings indicate that during the initial phases, myotomal muscle growth in pacu occurs by both, muscle fiber hypertrophy and hyperplasia. The analysis of frequency of red and white muscle fibers shows that hyperplastic growth is intense in this period. As the growth rate in adult fish is related to the number of muscle fibers in young fish, extrinsic factors could change the muscle fiber phenotype and influence their ultimate size.