Effect of ovary induction on bread wheat anther culture: Ovary genotype and developmental stage, and candidate gene association

Abstract

Ovary pre-conditioned medium and ovary co-culture increased the efficiency of green doubled haploid plant production in bread wheat anther culture. The positive effect of this medium led to a 6- and 11-fold increase in the numbers of embryos and green plants, respectively, having a greater effect on a medium-low responding cultivar. Ovary genotype and developmental stage significantly affected microspore embryogenesis. By the use of Caramba ovaries it was possible to reach a 2-fold increase in the number of embryos and green plants, and to decrease the rate of albinism. Mature ovaries from flowers containing microspores at a late binucleate stage raised the number of embryos and green plants by 25–46% as compared to immature ovaries (excised from flowers with microspores at a mid-late uninucleate stage). The highest numbers of embryos and green plants were produced when using mature Caramba ovaries. Ovaries from Galeón, Tigre, and Kilopondio cultivars successfully induced microspore embryogenesis at the same rate as Caramba ovaries. Moreover, Tigre ovaries raised the percentage of spontaneous chromosome doubling up to 71%. Attempts were made to identify molecular mechanisms associated to the inductive effect of the ovaries on microspore embryogenesis. The genes TAA1b, FLA26, and WALI6 associated to wheat microspore embryogenesis, the CGL1 gene involved in glycan biosynthesis or degradation, and the FER gene involved in the ovary signaling process were expressed and/or induced at different rates during ovary culture. The expression pattern of FLA26 and FER could be related to the differences between genotypes and developmental stages in the inductive effect of the ovary. Our results open opportunities for new approaches to increase bread wheat doubled haploid production by anther culture, and to identify the functional components of the ovary inductive effect on microspore embryogenesis.

El medio preacondicionado de ovario y el co-cultivo de ovario aumentaron la eficiencia de la producción de plantas verdes doblemente haploides en el cultivo de anteras de trigo pan. El efecto positivo de este medio condujo a un aumento de 6 y 11 veces en el número de embriones y plantas verdes, respectivamente, teniendo un mayor efecto en un cultivar de respuesta media-baja. El genotipo del ovario y el estado de desarrollo afectaron significativamente a la embriogénesis de microsporas. Mediante el uso de ovarios de Caramba fue posible alcanzar un incremento de 2 veces en el número de embriones y plantas verdes, y disminuir la tasa de albinismo. Los ovarios maduros de flores que contenían microsporas en un estadio binucleado tardío aumentaron el número de embriones y plantas verdes en un 25-46% en comparación con los ovarios inmaduros (extirpados de flores con microsporas en un estadio uninucleado medio-tardío). El mayor número de embriones y plantas verdes se produjo cuando se utilizaron ovarios maduros de Caramba. Los ovarios de los cultivares Galeón, Tigre y Kilopondio indujeron con éxito la embriogénesis de microsporas al mismo ritmo que los ovarios de Caramba. Además, los ovarios de Tigre elevaron el porcentaje de duplicación cromosómica espontánea hasta un 71%. Se intentó identificar mecanismos moleculares asociados al efecto inductor de los ovarios sobre la embriogénesis de microsporas. Los genes TAA1b, FLA26, y WALI6 asociados a la embriogénesis de microsporas de trigo, el gen CGL1 implicado en la biosíntesis o degradación de glicanos, y el gen FER implicado en el proceso de señalización del ovario se expresaron y/o indujeron a diferentes tasas durante el cultivo de ovarios. El patrón de expresión de FLA26 y FER podría estar relacionado con las diferencias entre genotipos y estadios de desarrollo en el efecto inductor del ovario. Nuestros resultados abren oportunidades a nuevos enfoques para aumentar la producción de dobles haploides de trigo pan mediante el cultivo de anteras, y para identificar los componentes funcionales del efecto inductor del ovario en la embriogénesis de microsporas.