Features of rhizogenesis of female plants of cloudberry (Rubus chamaemorus L.) in in vitro culture
- Authors: Antonov A.M.1, Makarov S.S.1,2, Kulikova E.I.3, Kuznetsova I.B.4, Chudetsky A.I.2, Kulchitsky A.N.1
-
Affiliations:
- Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov
- Russian Timiryazev State Agrarian University
- Vologda State Dairy Academy named after N.V. Vereshchagin
- Kostroma State Agricultural Academy
- Issue: No 2 (2023)
- Pages: 51-59
- Section: Nursery and horticulture
- Submitted: 02.02.2025
- Published: 15.06.2023
- URL: https://journal-vniispk.ru/2312-6701/article/view/278760
- DOI: https://doi.org/10.52415/23126701_2023_0204
- ID: 278760
Cite item
Full Text
Abstract
The results of studies on clonal micropropagation of female plants of cloudberry (Rubus chamaemorus L.) of Northern Russian origin at the stage of rooting of microshoots in vitro using the MS nutrient medium and IBA auxin. R. chamaemorus is an economically valuable forest berry species in terms of food and medicine. Plantation cultivation of cloudberry in the conditions of depleted peat deposits will contribute to the restoration of natural berries and increase its productivity. Use the method of micropropagation is advisable to obtain a large amount of planting material in the industrial cultivation of forest berry plants. It is necessary to improve the technology of growing R. chamaemorus in in vitro culture for Northern Russian origin forms. The objects of study are R. chamaemorus plants of the Arkhangelsk, Vologda, Karelian and Khanty-Mansi forms. The maximum values of the number (5.3—7.4 pcs.) and total length (21.7—26.9 cm) of the roots of female R. chamaemorus plants in in vitro culture are noted on the MS nutrient medium, while similar indicators in the variants with dilution of the mineral composition of the nutrient medium by 2 and 4 times are 1.5—2.6 and 2.3—6.4 times less, respectively. An increase in the concentration of IBA auxin from 0.5 to 1.0 mg/l in the nutrient medium contributed to an increase in the number (by 1.4—1.8 times) and a decrease in the average length (by 1.3—1.7 times) of the roots of female plants R. chamaemorus in in vitro culture, as well as an increase in the total length of the roots of the Karelian form (by 1.3 times).
Full Text
Введение
Морошка приземистая (Rubus chamaemorus L.) – хозяйственно ценный в пищевом и лекарственном отношении лесной ягодный вид, пользующийся определенным спросом среди потребителей плодово-ягодной продукции. В составе плодов морошки содержится значительное количество антиоксидантов, флавоноидов и фенольных соединений, сахара, бензойная и аскорбиновая кислоты, ряд полезных микро- и макроэлементов. Плоды, листья и корни применяются для восстановления обмена веществ и лечения большого количества заболеваний. Ягоды используются для приготовлении джемов, варенья, компотов, выпечки, конфет, кондитерских изделий и др. (Boxall et al., 2003; Савельева, 2005; Барнаулов, Поспелова, 2013; Величко и др., 2016; Puupponen-Pimiä et al., 2021).
В природе ареал произрастания R. chamaemorus распространяется на Северную Америку и Евразию (включая территорию в России на всем ее широтном протяжении). Популяции вида встречаются на верховых болотах и в заболоченных хвойных лесах, однако в естественных условиях среды имеют довольно низкую урожайность (Косицын, 2001; Thiem, 2003). В разных странах исследователи отмечали возможность и перспективы культивирования R. chamaemorus в условиях выработанных торфяных месторождений (Kokko et al., 2004; Bussieres et al., 2015; Тяк, 2016). Создание ягодных плантаций на таких землях может способствовать значительному повышению урожайности, восстановлению сокращающихся запасов лесных и болотных ягодников, а также снижению негативного влияния вследствие оставления неиспользуемых земель без рекультивации (Тяк и др., 2016). В России плантации с посадками морошки в настоящее время имеются в Архангельской области, республике Карелия, Ханты-Мансийском АО – Югре.
С помощью традиционных способов размножения ягодных растений не представляется возможным обеспечить требуемое для плантационного выращивания количество и качество посадочного материала. В целях промышленного культивирования следует использовать метод микроклонального размножения, который позволяет быстро, в короткие сроки и вне сезона вырастить большое число оздоровленных и генетически однородных растений (Бутенко, 1999; Тихонович, Проворов, 2015). Несмотря на имеющийся опыт различных исследователей по выращиванию R. chamaemorus в культуре in vitro (Концевая и др., 1999; Thiem, 2001; Martinussen et al., 2004; Debnath, 2007; Зонтиков и др., 2021), необходимо совершенствование технологии клонирования вида с учетом генетических особенностей для форм северно-российского происхождения, включая подбор оптимального состава питательной среды и росторегулирующих веществ.
Цель исследований – изучение влияния концентрации минеральных солей в составе питательной среды и концентрации ауксина ИМК на образование корней женских растений R. chamaemorus северно-российского происхождения в культуре in vitro.
Материалы и методы
В качестве объектов исследования использовали женские растения R. chamaemorus форм Архангельская, Вологодская, Карельская и Ханты-Мансийская, отобранных в местах естественного произрастания в соответствующих регионах Российской Федерации (Верхнетоемский район Архангельской области, Сямженский район Вологодской области, Сегежский район Республики Карелия, Ханты-Мансийский район Ханты-Мансийского АО – Югры). Исследования по микроклональному размножению растений проводили с использованием общепринятых методик (Тихонович, Проворов, 2015) на базе Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова и Вологодской ГМХА им. Н.В. Верещагина в 2020…2023 гг. Растения-регенеранты культивировали в пробирках на питательной среде Мурасиге-Скуга (МС) (Murashige, Skoog, 1962) с разбавлением минеральных солей бидистилированной водой в 2 и 4 раза, при фотопериоде 16 ч света / 8 ч темноты, температуре воздуха +23…+25°C и влажности воздуха 75…80%. На этапе пролиферации использовали 6-бензиламинопурил (6-БАП) в концентрациях 1,0…2,0 мг/л.
На этапе укоренения микропобегов in vitro в качестве регулятора роста использовали индолилуксусную кислоту (ИМК) в концентрациях 0,5 и 1,0 мг/л. Учитывали число и длину корней в расчете на одно растение. Опыты проводили с 10-кратной повторностью, по 15 пробирочных растений в каждой. Для статистической обработки экспериментальных данных использовали программы Microsoft Office Excel 2016 и AGROS v2.11. Оценку достоверности полученных данных проводили с помощью наименьшей существенной разности на 5% уровне значимости (НСР05) и двухфакторного дисперсионного анализа (фактор A – состав питательной среды, фактор B – концентрация регулятора роста).
Результаты и их обсуждение
В ходе исследований на этапе укоренения микропобегов in vitro выявлено, что наибольшее количество корней у женских растений R. chamaemorus формировалось на питательной среде МС и варьировало в среднем от 5,3 до 7,4 шт., тогда как на среде МС 1/2 данный показатель был меньше в 1,5…1,6 раза, а на среде МС 1/4 – в 2,5…2,6 раза. С повышением в питательной среде концентрации ауксина ИМК от 0,5 до 1,0 мг/л количество корней женских растений R. chamaemorus значительно увеличивалось: у формы Архангельская – в среднем в 1,4 раза, у формы Вологодская – в 1,6 раза, у форм Карельская и Ханты-Мансийская – в 1,8 раза (таблица 1).
Таблица 1 – Количество корней женских растений R. chamaemorus в культуре in vitro в зависимости от концентрации минеральных солей в составе питательной среды и концентрации ауксина ИМК, шт.
Питательная среда | Концентрация ИМК, мг/л | Среднее | |
0,5 | 1,0 | ||
Форма Архангельская | |||
МС | 4,2 | 6,3 | 5,3 |
МС 1/2 | 3,1 | 4,0 | 3,6 |
МС 1/4 | 2,0 | 2,8 | 2,4 |
Среднее | 3,1 | 4,4 | - |
НСР05 фактор A = 0,69 фактор B =0,56, общ. = 0,78 | |||
Форма Вологодская | |||
МС | 4,5 | 7,3 | 5,9 |
МС 1/2 | 3,0 | 5,2 | 4,1 |
МС 1/4 | 1,8 | 2,3 | 2,1 |
Среднее | 3,1 | 4,9 | - |
НСР05 фактор A = 0,76, фактор B = 0,62, общ. = 0,85 | |||
Форма Ханты-Мансийская | |||
МС | 5,2 | 9,6 | 7,4 |
МС 1/2 | 3,2 | 6,0 | 4,6 |
МС 1/4 | 2,1 | 3,5 | 2,8 |
Среднее | 3,5 | 6,4 | - |
НСР05 фактор A = 0,77, фактор B = 0,81, общ. = 0,93 | |||
Форма Карельская | |||
МС | 4,9 | 8,2 | 6,6 |
МС 1/2 | 3,0 | 5,3 | 4,2 |
МС 1/4 | 1,9 | 3,8 | 2,9 |
Среднее | 3,3 | 5,8 | - |
НСР05 фактор A = 0,79, фактор B = 0,88, общ. = 1,01 | |||
Средняя длина корней у женских растений исследуемых форм R. chamaemorus в культуре in vitro значительно уменьшалась при снижении концентрации минерального состава в питательной среде: на МС она варьировала в среднем от 3,8 до 4,5 см, тогда как на среде МС 1/2 была меньше в 1,5…1,6 раза, на МС 1/4 – в 2,4…2,5 раза. При повышении в питательной среде концентрации ауксина ИМК от 0,5 до 1,0 мг/л существенно средняя длина корней растений R. chamaemorus у форм Архангельская, Вологодская и Карельская уменьшалась в 1,3…1,4 раза, у формы Ханты-Мансийская – в 1,7 раза (таблица 2).
Таблица 2 – Средняя длина корней женских растений R. chamaemorus в культуре in vitro в зависимости от концентрации минеральных солей в составе питательной среды и концентрации ауксина ИМК, см
Питательная среда | Концентрация ИМК, мг/л | Среднее | |
0,5 | 1,0 | ||
1 | 2 | 3 | 4 |
Форма Архангельская | |||
МС | 5,2 | 3,8 | 4,5 |
МС 1/2 | 3,1 | 2,4 | 2,8 |
МС 1/4 | 2,2 | 1,5 | 1,9 |
Среднее | 3,5 | 2,6 | - |
НСР05 фактор A = 0,84, фактор B = 0,69, общ. = 0,96 | |||
Форма Вологодская | |||
МС | 4,6 | 3,1 | 3,9 |
МС 1/2 | 2,9 | 2,2 | 2,6 |
МС 1/4 | 1,8 | 1,5 | 1,7 |
Среднее | 3,1 | 2,3 | - |
НСР05 фактор A =0,79, фактор B = 0,53, общ. = 0,82 | |||
Форма Ханты-Мансийская | |||
МС | 5,0 | 2,9 | 4,0 |
МС 1/2 | 3,2 | 1,9 | 2,6 |
МС 1/4 | 2,0 | 1,2 | 1,6 |
Среднее | 3,4 | 2,0 | - |
НСР05 фактор A = 0,90, фактор B = 0,85, общ. = 1,03 | |||
Форма Карельская | |||
МС | 4,3 | 3,3 | 3,8 |
МС 1/2 | 2,9 | 2,0 | 2,5 |
МС 1/4 | 1,6 | 1,3 | 1,5 |
Среднее | 2,9 | 2,2 | - |
НСР05 фактор A = 0,79, фактор B = 0,68, общ. = 0,96 | |||
Суммарная длина корней у женских растений R. chamaemorus исследуемых форм в культуре in vitro была наибольшей на питательной среде МС и варьировала в среднем от 21,7 до 26,9 см. При разбавлении минерального состава питательной среды значения данного показателя были значимо меньше: на среде МС 1/2 – в 2,3…2,5 раза, на среде МС 1/4 – в 6,3…6,4 раза (таблица 3).
Таблица 3 – Суммарная длина корней женских растений R. chamaemorus в культуре in vitro в зависимости от концентрации минеральных солей в составе питательной среды и концентрации ауксина ИМК, см
Питательная среда | Концентрация ИМК, мг/л | Среднее | |
0,5 | 1,0 | ||
1 | 2 | 3 | 4 |
Форма Архангельская | |||
МС | 21,8 | 23,9 | 22,9 |
МС 1/2 | 9,6 | 9,6 | 9,6 |
МС 1/4 | 4,4 | 4,2 | 4,3 |
Среднее | 11,9 | 12,6 | - |
НСР05 фактор A = 0,87 фактор B = 0,90, общ. = 1,10 | |||
Форма Вологодская | |||
МС | 20,7 | 22,6 | 21,7 |
МС 1/2 | 8,7 | 11,4 | 10,1 |
МС 1/4 | 3,2 | 3,5 | 3,4 |
Среднее | 10,9 | 12,5 | - |
НСР05 фактор A = 0,92, фактор B = 0,85, общ. = 1,03 | |||
Форма Ханты-Мансийская | |||
МС | 26,0 | 27,8 | 26,9 |
МС 1/2 | 10,2 | 11,4 | 10,8 |
МС 1/4 | 4,2 | 4,2 | 4,2 |
Среднее | 13,5 | 14,5 | - |
НСР05 фактор A = 1,13, фактор B = 1,23, общ. = 1,36 | |||
Форма Карельская | |||
МС | 21,1 | 27,1 | 24,1 |
МС 1/2 | 8,7 | 10,6 | 9,7 |
МС 1/4 | 3,0 | 4,9 | 4,0 |
Среднее | 10,9 | 14,2 | - |
НСР05 фактор A = 1,26, фактор B = 0,96, общ. =1,12 | |||
У растений R. chamaemorus форм Архангельская, Вологодская и Ханты-Мансийская статистически значимых различий в суммарной длине корней in vitro в зависимости от концентрации в питательной среде ауксина ИМК не выявлено, при этом у формы Карельская при концентрации ИМК 1,0 мг/л суммарная длина корней была в среднем в 1,3 раза больше, чем при концентрации 0,5 мг/л.
Заключение
Таким образом, при микроклональном размножении женских растений R. chamaemorus форм северно-российского происхождения на этапе укоренения in vitro количество и длина корней на питательной среде МС были существенно больше, чем на средах МС 1/2 и МС 1/4. Повышение в питательной среде концентрации ауксина ИМК от 0,5 до 1,0 мг/л способствовало увеличению количества и уменьшению средней длины корней у женских растений R. chamaemorus в культуре in vitro, вследствие чего суммарная длина корней у формы Карельская была больше, а у форм Архангельская, Вологодская и Ханты-Мансийская не имела заметных различий. Результаты исследований могут быть применены в дальнейшей работе по ускоренному получению посадочного материала морошки приземистой.
Финансирование
Работа выполнена за счет средств Программы развития университета в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет — 2030».
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
About the authors
Alexander M. Antonov
Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov
Email: a.antonov@narfu.ru
PhD in Agriculture, associate professor, Head of landscape architecture and artificial forests department
Russian Federation, Naberezhnaya Severnoy Dviny st., 17, ArkhangelskSergey S. Makarov
Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov; Russian Timiryazev State Agrarian University
Author for correspondence.
Email: makarov_serg44@mail.ru
Doctor of Agriculture, Head of decorative gardening and lawn science chair in Russian Timiryazev State Agrarian University, professor of landscape architecture and artificial forests chair in Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov
Russian Federation, Naberezhnaya Severnoy Dviny st., 17, Arkhangelsk; Timiryazevskaya st., 49, MoscowElena I. Kulikova
Vologda State Dairy Academy named after N.V. Vereshchagin
Email: elena-kulikova@list.ru
PhD in Agriculture, associate professor, Head of plant growing, agriculture and agrochemistry chair
Russian Federation, Schmidt st., 2, Molochnoe, Vologda, Vologda OblastIrina B. Kuznetsova
Kostroma State Agricultural Academy
Email: sonneraiser@yandex.ru
PhD in Agriculture, associate professor, associate professor in agrochemistry, biology and plant protection chair
Russian Federation, Uchebny Gorodok st., 34, Karavaevo, Kostroma District, Kostroma OblastAnton I. Chudetsky
Russian Timiryazev State Agrarian University
Email: a.chudetsky@mail.ru
PhD in Agriculture, associate professor of decorative gardening and lawn science chair
Russian Federation, Timiryazevskaya st., 49, MoscowAndrey N. Kulchitsky
Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov
Email: 5060637@mail.ru
Master’s Degree student of landscape architecture and artificial forests chair
Russian Federation, Naberezhnaya Severnoy Dviny st., 17, ArkhangelskReferences
- Barnaulov, O.D., & Pospelova, M.L. (2013). Medicinal properties of fruits and berries. Inform-Navigator. (In Russian).
- Butenko, R.G. (1999). Biology of cells of higher plants in vitro and biotechnologies based on them. FBK-Press. (In Russian).
- Velichko, N.A., Sharoglazova, L.P., & Smolnikova, Ya.V. (2016). The study of the lipid composition of fruits of representatives of the genus Rubus and evaluation of the prospects for their application in food technologies. Bulletin of KSAU, 7, 137-145. EDN WCYKRT. (In Russian, English abstract).
- Zontikov, D.N., Zontikova, S.A., & Malakhova, K.V. (2021). Influence of the composition of nutrient media and growth regulators during clonal micropropagation of some economically valuable representatives of the genus Rubus L. Agrochemistry, 6, 36-42. https://doi.org/10.31857/S0002188121060144. EDN OOALRQ. (In Russian, English abstract).
- Kontsevaya, I.I., Shalupaev, M.P., & Yatsyna, A.A. (1999). The use of tissue culture for propagation of cloudberry as a rare berry plant in Belarus. In Forest, Science, Youth: Proc. Sci. Conf. National Academy of Sciences of Belarus. (In Russian).
- Kositsyn, V.N. (2001). Cloudberry: biology, resource potential, introduction to culture. All-Russian Research Institute of Silviculture and Mechanization of Forestry Publ. (In Russian).
- Savelyeva, I.B. (2005). Forest healers. Cranberry, lingonberry, cloudberry, blueberry. Nevsky Prospekt. (In Russian).
- Tikhonovich, I.A., & Provorov, N.A. (2015). Agricultural biotechnology and bioengineering (V.S. Shevelukha, Ed.). URSS. EDN YNIPNV. (In Russian).
- Tyak, G.V. (2016). “Gold of the North” for garden plots. Nursery and private garden, 6(42), 16-19. (In Russian).
- Tyak, G.V., Kurlovich, L.E., & Tyak, A.V. (2016). Biological recultivation of degraded peatlands by creating forest berry plants. Vestnik of the Kazan state agrarian university, 11(2), 43-46. https://doi.org/10.12737/20633. EDN WHQVNF. (In Russian, English abstract).
- Boxall, P.C., Murray, G., Unterschultz, J.R., & Boxall, P.C. (2003). Non-timber forest products from the Canadian boreal forest: an exploration of aboriginal opportunities. Journal of Forest Economics, 9(2), 75-96. https://doi.org/10.1078/1104-6899-00027
- Bussieres, J., Rochefort, L., & Lapointe, L. (2015). Cloudberry cultivation in cutover peatland: improved growth on less decomposed peat. Canadian Journal of Plant Science, 95(3), 479-489. https://doi.org/10.4141/CJPS-2014-299
- Debnath, S.C. (2007). A two-step procedure for in vitro multiplication of cloudberry (Rubus chamaemorus L.) shoots using bioreactor. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 88, 185-191. https://doi.org/10.1007/s11240-006-9188-x
- Kokko, H., Teittinen, H., & Kärenlampi, S. (2004). Revegetation of petland for cloudberry cultivation. In Wise Use of Peatlands: Proc. The 12th International Congress (pp. 379-382). Tampere.
- Martinussen, I., Nilsen, G., Svenson, L., Junttila, O., & Rapp, K. (2004). In vitro propagation of cloudberry (Rubus chamaemorus). Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 78, 43-49. https://doi.org/10.1023/B:TICU.0000020392.85854.28. EDN FMHKZN
- Murashige, T., & Skoog, F. (1962). A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum., 15(3), 473-497. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x
- Puupponen-Pimiä, R., Nohynek, L., Suvanto, J., Salminen, J.-P., Seppänen-Laakso, T., Tähtiharju, J., Honkapää, K., & Oksman-Caldentey, K.-M. (2021). Natural antimicrobials from cloudberry (rubus chamaemorus) seeds by sanding and hydrothermal extraction. ACS Food Science & Technology, 1(5), 917-927. https://doi.org/10.1021/acsfoodscitech.0c00109
- Thiem, B. (2001). Micropropagation of cloudberry (Rubus chamaemorus L.) by Initiation of axillary shoots. Acta Societatis Botanicorum Poloniae, 70(1), 11-16. https://doi.org/10.5586/asbp.2001.002
- Thiem, B. (2003). Rubus chamaemorus L. – a boreal plant rich in biologically active metabolites: a review. Biological Letters, 40, 3-13.
Supplementary files
