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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Der Artikel beschreibt ein Embryonenrettungsprotokoll zur Regeneration unreifer Embryonen, die aus der interspezifischen Hybridisierung von Cucurbita pepo und Cucurbita moschata stammen. Das Protokoll kann leicht repliziert werden und wird eine wichtige Ressource für Kürbiszuchtprogramme sein.
Interspezifische Hybridisierung in Cucurbita-Kulturen (Kürbis) ist wünschenswert, um die genetische Variation zu erweitern und nützliche Allele zu introgressivieren. Unreife Embryonen, die aus diesen breiten Kreuzungen erzeugt werden, müssen mit geeigneten Embryonenrettungstechniken regeneriert werden. Obwohl diese Technik für viele Kulturen gut etabliert ist, fehlt eine detaillierte Beschreibung der geeigneten Methodik für Kürbis, die ihre routinemäßige Anwendung ermöglichen würde. Hier beschreiben wir ein Embryonenrettungsprotokoll, das für die interspezifische Hybridisierung von C. pepo und C . moschata nützlich ist. Um praktikable Kombinationen für die Embryonenrettung zu identifizieren, wurden 24 interspezifische Kreuzungen durchgeführt. Der Fruchtsatz wurde aus zweiundzwanzig Kreuzungen gewonnen, was auf eine Erfolgsquote von 92% hinweist. Die meisten der erhaltenen Früchte waren jedoch parthenocarpisch, mit Samen ohne Embryonen (leere Samen). Nur eine Kreuzung enthielt unreife Embryonen, die mit basalen Pflanzenwachstumsmedien regeneriert werden konnten. Insgesamt wurden 10 Embryonen aus der interspezifischen F1-Frucht gerettet, und die Erfolgsrate der Embryonenrettung betrug 80%. Das hier entwickelte Embryonenrettungsprotokoll wird für die interspezifische Hybridisierung in Kürbiszuchtprogrammen nützlich sein.
Cucurbita (2n = 40) ist eine sehr vielfältige Gattung in der Familie der Kürbisgewächse (Cucurbitaceae), die 27 verschiedene Arten umfasst, von denen fünf domestiziert sind1. Unter diesen sind Cucurbita moschata, C. pepo und C. maxima die wirtschaftlich wichtigsten weltweit. In den USA sind C. moschata und C. pepo die beiden wichtigsten Arten in der landwirtschaftlichen Produktion. C. pepo besteht aus vier Unterarten (Ovifera, Pepo, Bruderschaft und Gumala), die sowohl Sommer- als auch Winterkürbis-Sortengruppen von Krummhals, Straightneck, Eichel, Jakobsmuschel, Kokosnuss, Gemüsemark, Zucchini und Kürbis 2,3,4,5 enthalten. C. moschata besteht hauptsächlich aus Winterkürbismarkttypen wie Butternut, Dickinson und Käsegruppe1. Die beiden Arten sind morphologisch und phänotypisch vielfältig, wobei C. pepo für seinen Ertrag, seine Frühigkeit, seine Buschwachstumsform und verschiedene Fruchtmerkmale wie Fruchtform, Fruchtgröße, Fleischfarbe und Rindenmuster angesehen wird. Auf der anderen Seite wird C. moschata für seine Anpassung an Hitze und Feuchtigkeit sowie für seine Krankheits- und Schädlingsresistenz geschätzt 6,7. Die interspezifische Hybridisierung zwischen C. moschata und C. pepo ist nicht nur eine wichtige Strategie zur Introgression wünschenswerter Eigenschaften zwischen den beiden Arten, sondern ermöglicht auch die Erweiterung der genetischen Basis in Zuchtprogrammen 7,8.
Frühe Kreuzungen zwischen C. moschata und C. pepo wurden gemacht, um ihre Kompatibilität und/oder taxonomischen Barrieren zu bestimmen 9,10,11, während spätere Studien sich hauptsächlich auf die Übertragung wünschenswerter Merkmalekonzentrierten 12,13,14. Die interspezifische Hybridisierung zwischen den beiden Arten hat auf die Übertragung neuer Merkmale wie eine Busch- oder Halbbuschwachstumsgewohnheit und einen verbesserten Ertrag von C. pepo zusammen mit Krankheitsresistenz, Anpassungsfähigkeit an abiotischen Stress und erhöhter Vitalität von C. moschata abzielt 14,15,16. Zum Beispiel haben spezifische Kreuzungen zwischen C. pepo (P5) und C. moschata (MO3) zu einem höheren Fruchtertrag geführt 13, während C. moschata-Akzessionen (Nigerian Local und Menina) häufig als primäre Quelle der Resistenz gegen Potyviren in kultivierten C. pepo-Sorten verwendet wurden17,18.
Frühere Studien zeigten, dass eine Hybridisierung zwischen C. moschata und C. pepo möglich, aber schwierig ist 8,15. Die interspezifischen Kreuzungen könnten dazu führen, dass keine Früchte angesetzt werden (Abort), parthenocarpische Früchte ohne lebensfähige Samen (leere Samen), kernlose Früchte, bei denen sich die unreifen Embryonen nicht entwickeln (Stenospermocarpy), oder Früchte mit wenigen unreifen Embryonen, die durch Embryonenrettung in reife Pflanzen gerettet werden können15,16. Zum Beispiel wurden keine lebensfähigen Samen durch Kreuzung von C. pepo (Tischkönigin, mütterlich) mit C. moschata (großer Käse, väterlicherseits) erhalten, aber die wechselseitige Kreuzung ergab 57 lebensfähige Samen aus 134 Bestäubungen9. Hayase erhielt lebensfähige Samen von C. moschata und C. pepo Kreuzungen nur, wenn Kreuzungen um 04:00 Uhr mit Pollen gemacht wurden, die über Nacht bei 10 °C gelagert wurden19. Baggett kreuzte acht verschiedene C. moschata-Sorten mit C. pepo (delicata) und berichtete, dass von insgesamt 103 Bestäubungen 83 Früchte erhalten wurden, die normal erschienen, aber keine von ihnen lebensfähige Samen enthielt8. In einer Kreuzung zwischen C. pepo (S179) und C. moschata (NK) erhielten Zhang et al. 15 Früchte mit 2.994 Samen, aber nur 12 dieser Samen waren lebensfähig, während die restlichen nur rudimentäre Entwicklung zeigten. Diese Studien deuten darauf hin, dass, obwohl die interspezifische Kreuzung zwischen C. moschata und C. pepo sehr vorteilhaft ist, die Gewinnung von Früchten mit lebensfähigen Samen aus den Kreuzungen anspruchsvoll ist16.
Die Embryonenrettung wurde als geeignete Methode zur Überwindung von Problemen vorgeschlagen, die sich aus einem frühen Abbruch oder schlecht entwickelten Embryonen ergeben, und ist eine der frühesten und erfolgreichsten In-vitro-Kulturtechniken zur Regeneration unreifer Embryonen16,20. Die Embryonenrettung umfasst die In-vitro-Kultur von unterentwickelten/unreifen Embryonen, gefolgt von der Überführung auf ein steriles Nährmedium, um die Gewinnung von Sämlingen und schließlich reifen Pflanzen zu erleichtern21. Obwohl die Embryonenrettung häufig in der Kürbiszucht verwendet wird, fehlt eine detaillierte Beschreibung der geeigneten Methodik, die ihre routinemäßige Anwendung ermöglichen würde. Die Verwendung von Embryonenrettungstechniken zur Überwindung interspezifischer Hybridisierungsbarrieren bei Cucurbita-Arten wurde bereits 1954 berichtet22. Der Erfolg der Embryonenrettung in den frühen Studien war jedoch entweder nicht oder sehr gering. Metwally et al. berichteten über eine Erfolgsrate von 10% (Regeneration zu reifen Pflanzen) unter 100 interspezifischen Hybridembryonen, die aus einer Kreuzung zwischen C. pepo und C. martinezii gerettet wurden 23. Sisko et al. berichteten über eine variable Erfolgsrate der Embryonenregeneration zwischen Embryonen, die aus verschiedenen Kreuzkombinationen gewonnen wurden: Die Regenerationsrate von Hybriden, die durch Kreuzung von C. maxima (Bos. Max) und C. pepo (Goldrausch) erhalten wurden, betrug 15,5%, für C. pepo (Zucchini) und C. moschata (Hokaido) 20%, während sie für C. pepo (Goldrausch) und C. moschata (Dolga) 37,5% betrug24. Neben dem Genotyp sind Medien und In-vitro-Kulturbedingungen wichtige Faktoren für den Erfolg der Technik25,26. In der aktuellen Studie wurden verschiedene Kreuzungskombinationen zwischen C. moschata und C. pepo getestet und eine einfache Methodik zur Anwendung der Embryonenrettungstechnik im Kürbis entwickelt. Die Entwicklung einer einfachen und leicht reproduzierbaren Embryonenrettungstechnik wird die interspezifische Hybridisierung und Keimplasmaverstärkung in Kürbiszuchtprogrammen erleichtern.
1. Anpflanzung und Bestäubung
HINWEIS: Es ist wichtig, kompatible Genotypen zu identifizieren, deren Hybridisierung zum Fruchtansatz und zur Produktion lebensfähiger Embryonen führen würde.
2. Technik zur Rettung von Embryonen
Fruchtansatz und Lebensfähigkeit des Saatguts
Ein erster Test wurde durchgeführt, um den Fruchtansatz und die Lebensfähigkeit von Samen in einer Vielzahl von Kreuzkombinationen zu bestimmen. Insgesamt wurden 15 Kürbis-Genotypen, vier C. pepo und 11 C. moschata, ausgewählt (Tabelle 1). Von den 24 versuchten interspezifischen Kreuzkombinationen wurde für 22 ein Fruchtansatz erhalten (Tabelle 2), was einem Gesamterfolg von >92% im Fruchtsatz entspricht. Durch Kreuzung von O und M und E und J wurden keine reifen Früchte erhalten, während die höchste Anzahl von Früchten (n = 6) durch Kreuzung von F und J erhalten wurde (Tabelle 2). Die Anzahl der Blüten, die für verschiedene Kreuzkombinationen bestäubt wurden, reichte von eins bis 11, und die Erfolgsrate der Bestäubung reichte von 0% bis 100%. Die Anzahl der Blüten, die in verschiedenen Kreuzkombinationen bestäubt wurden, variierte in Abhängigkeit von der Anzahl der Blütensätze und der Synchronisation der Blüte zwischen männlichen und weiblichen Blüten. Obwohl Früchte von allen Kreuzungen bis auf zwei gewonnen wurden, ergab die Auswertung der Früchte nach dem Schneiden, dass die meisten Früchte Embryonen ohne lebensfähige Samen abgetrieben hatten. Früchte von den meisten Kreuzungen sahen normal aus, waren aber frei von Samen oder bestanden aus Samen mit rudimentären Embryonen. Aus allen Kreuzungen wurden insgesamt 44 Früchte produziert, und nur eine Frucht, die durch Kreuzung von C und J entwickelt wurde, hatte schlecht entwickelte Embryonen, die durch die Embryonenrettungstechnik gewonnen werden konnten.
Embryonenrettung und Weiterentwicklung
Der interspezifische Hybrid F1, der durch Kreuzung von C und J entwickelt wurde, hatte insgesamt 44 Samen, aber nur 10 davon hatten Embryonen, die für den Generationsfortschritt gerettet werden konnten. Die restlichen Samen hatten keine Embryonen. Alle 10 Embryonen wurden in den Embryonenrettungsmedien kultiviert und täglich auf ihr Wachstum und ihre Entwicklung überprüft. Die Größe der 10 unreifen Embryonen reichte von 3,51 mm bis 8,26 mm. Die Erfolgsquote der Embryonenrettung betrug 80%. Die interspezifischenF1-Hybriden (Brückenlinien), die durch Kreuzung von C. moschata und C. pepo (C und J) entwickelt wurden, enthielten die Genome beider Arten im Verhältnis 1:1 (jeweils 50%). Diese Pflanzen wurden als Brückenlinien für die Introgression wirtschaftlich wichtiger Merkmale zwischen den beiden Arten verwendet. Zum Beispiel würde die Kreuzung dieser Brückenlinien mit C. moschata zu Hybriden mit 75% C. moschata bzw. 25% C. pepo genetischem Hintergrund führen. Die aus diesen Brückenlinien gewonnenen Früchte hatten eine Mischung aus nicht lebensfähigen Samen und Samen mit unreifen Embryonen, die anschließend eine Gewebekultur zur Regeneration benötigten. Zum Beispiel hatte eine der Früchte insgesamt 54 Samen, darunter 14 Samen unreife Embryonen, die mit dem hier beschriebenen Protokoll gerettet wurden.

Abbildung 1: Stützgitter für vertikal wachsende Kürbispflanzen im Gewächshaus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Illustration von offenen und geklebten Blumen. Öffnen Sie (A) männliche und (B) weibliche Kürbisblume im Gewächshaus. (C) Eine geklebte männliche Blüte von Cucurbita moschata väterlicherseits. (D) Eine getapte weibliche Blüte von Cucurbita pepo mütterlicherseits. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Darstellung der Bestäubung . (A) Übertragen Sie den Pollen von der männlichen Blüte, indem Sie den Staubbeutel sanft an der Narbe der weiblichen Blüte reiben. (B) Nach der Bestäubung kleben Sie die weibliche Blüte auf und verwenden Sie ein Etikett, um das Datum der Bestäubung und die väterlichen und mütterlichen Eltern, die in der Kreuzung verwendet werden, aufzuzeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Fruchtansatz . (A) Nach der Bestäubung dehnt sich der Eierstock schnell aus und bildet innerhalb von 1 Woche eine kleine Frucht. (B) Die Frucht ist 45 Tage nach der Bestäubung erntereif. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Fruchtzubereitung . (A) Die Früchte mit Reinigungsmittel waschen. Ernten und desinfizieren Sie die Oberfläche der Früchte, indem Sie sie mit Flüssigwaschmittel in der Laborspüle waschen. (B) Die Früchte abspülen und trocknen. Trocknen Sie die Früchte mit sauberen Papiertüchern, spülen Sie sie anschließend mit reichlich Leitungswasser ab und bringen Sie sie in den Laminar-Air-Flow-Schrank. (C) Die Früchte mit einem sterilen Messer halbieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Embryo aus den Samen extrahieren. Verwenden Sie sterile Pinzetten, um die Samenhülle aseptisch zu öffnen und den unreifen Embryo freizulegen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 7: Embryonenregeneration in den MS-Medien . (A) Unreife Embryonen werden vorsichtig in eine Petrischale mit MS-Medium gelegt. (B) Die Keimblätter dehnen sich aus und werden innerhalb von 10 Tagen grün. (C) Die Wurzeln beginnen nach 14 Tagen zu erscheinen. (D) Nach 21 Tagen haben die Pflänzchen verlängerte Wurzeln und Keimblätter, die zur Akklimatisierung in einen Kunststoffbehälter überführt werden können. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 8: Waschen Sie die Wurzeln. Entfernen Sie die Pflänzchen aus der Petrischalen und waschen Sie das Medium vorsichtig mit Leitungswasser von den Wurzeln ab. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 9: Akklimatisieren Sie die Pflänzchen. (A) Legen Sie die Pflänzchen in einen Plastikbehälter und bedecken Sie die Wurzeln 5 Tage lang mit einem nassen Papiertuch, um sie zu akklimatisieren. (B) Die Pflänzchen werden in Zellschalen mit handelsüblicher Blumenerde überführt, die mit vollständigem NPK-Dünger ergänzt wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 10: Verpflanzen Sie die Sämlinge in Töpfe. (A) Im zweiten bis dritten Echtblattstadium werden die Sämlinge in Töpfe mit einem Durchmesser von 30 cm verpflanzt, die mit mit Dünger bestücktem Blumenerde gefüllt sind. (B) Bereitstellung von Spalierunterstützung für Weinpflanzen und kontrollierte Hybridisierung, wenn die Pflanzen zu blühen beginnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Lab-Code | Spezies | Quelle |
| Ein | C. moschata | Lokaler Bauernmarkt |
| B | C. moschata | Lokaler Bauernmarkt |
| C | C. moschata | Lokaler Bauernmarkt |
| D | C. moschata | Lokaler Bauernmarkt |
| E | C. moschata | Lokaler Bauernmarkt |
| F | C. moschata | Lokaler Bauernmarkt |
| G | C. moschata | Zuchtlinie der Universität von Florida |
| H | C. moschata | Zuchtlinie der Universität von Florida |
| Ich | C. pepo | NCRPIS (North Central Regional Plant Intruduction Station) |
| J | C. pepo | NCRPIS (North Central Regional Plant Intruduction Station) |
| M | C. pepo | NCRPIS (North Central Regional Plant Intruduction Station) |
| O | C. moschata | Zuchtlinie der Universität von Florida |
| Q | C. moschata | Zuchtlinie der Universität von Florida |
| W | C. pepo | Zuchtlinie der Universität von Florida |
| Y | C. moschata | Burpee Seeds Co |
Tabelle 1: Insgesamt 15 Genotypen von Kürbis, vier C. pepo und 11 C. moschata, wurden in der Studie für interspezifische Kreuzungen verwendet.
| Kreuz (weiblich x männlich) | Anzahl bestäubter Blüten | Anzahl der Früchte | Fruchtansatz (%) | N. von abgetriebenem Saatgut | N. von unreifen Embryonen | Anzahl der geretteten Embryonen |
| A (C. moschata) x I (C. pepo) | 5 | 4 | 80 | 0 | 0 | 0 |
| H (C. moschata) x I (C. pepo) | 2 | 2 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| B (C. moschata) x J (C. pepo) | 2 | 1 | 50 | 0 | 0 | 0 |
| C (C. moschata) x J (C. pepo) | 3 | 1 | 33.3 | 44 | 10 | 8 |
| E (C. moschata) x J (C. pepo) | 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| F (C. moschata) x J (C. pepo) | 11 | 6 | 54.5 | 0 | 0 | 0 |
| G (C. moschata) x J (C. pepo) | 2 | 2 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| J (C. pepo) x H (C. moschata) | 7 | 2 | 28.6 | 0 | 0 | 0 |
| J (C. pepo) x O (C.moschata) | 6 | 1 | 16.7 | 0 | 0 | 0 |
| O (C. moschata) x J (C. pepo) | 6 | 1 | 16.7 | 0 | 0 | 0 |
| Q (C. moschata) x J (C. pepo) | 1 | 1 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| C (C. moschata) x M (C. pepo) | 4 | 3 | 75 | 0 | 0 | 0 |
| D (C. moschata) x M (C. pepo) | 1 | 1 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| F (C. moschata) x M (C. pepo) | 9 | 5 | 55.6 | 0 | 0 | 0 |
| G (C. moschata) x M (C. pepo) | 1 | 1 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| O (C. moschata) x M (C. pepo) | 22 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Q (C. moschata) x M (C. pepo) | 2 | 1 | 50 | 0 | 0 | 0 |
| F (C. moschata) x W (C. pepo) | 1 | 1 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| G (C. moschata) x W (C. pepo) | 1 | 1 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| H (C. moschata) x W (C. pepo) | 2 | 1 | 50 | 0 | 0 | 0 |
| O (C. moschata) x W (C. pepo) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Y (C. moschata) x W (C. pepo) | 3 | 2 | 66.7 | 0 | 0 | 0 |
| M (C. pepo) x H (C.moschata) | 3 | 2 | 66.7 | 0 | 0 | 0 |
| M (C. pepo) x O (C.moschata) | 4 | 4 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| Gesamt | 44 | 10 | 8 |
Tabelle 2: Kreuzkombinationen mit den 15 Genotypen von Kürbis und dem entsprechenden Fruchtansatz, Anzahl der abgetriebenen Samen, unreifen Embryonen und erfolgreichen Embryonenrettungen.
Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.
Der Artikel beschreibt ein Embryonenrettungsprotokoll zur Regeneration unreifer Embryonen, die aus der interspezifischen Hybridisierung von Cucurbita pepo und Cucurbita moschata stammen. Das Protokoll kann leicht repliziert werden und wird eine wichtige Ressource für Kürbiszuchtprogramme sein.
Diese Arbeit wurde vom USDA National Institute of Food and Agriculture, NRS Project No. FLA-TRC-006176 und dem Institute of Food and Agricultural Sciences der University of Florida.
| Ampicillin | Fisher Scientific | BP1760-5 | |
| Autoklav | Steris | AMSCO LAB 250 | |
| Balance | |||
| Cefotaxim | Sigma Alfrich | C 7039 | |
| Zentrifugenröhrchen (1,5 ml) | Sigma Alfrich | T9661 | |
| Reinigungsmittel | |||
| Ethanol, 95% | Decon Labs | 2805HC | |
| Pinzette | VWR | 82027-408 | |
| Gellangummi | Caisson Laboratories | G024 | |
| Wachstumskammer oder beleuchtetes Regal | |||
| Laminarhaube / Biosicherheitswerkbank | The Baker Company, Inc | Edgegard | |
| Kreppband | Uline | S-11735 | |
| Medien Flasche | |||
| Murashige & Skoog Medium | Research Products International | M10200 | |
| NPK Dünger (20-20-20) | BWI Companies, Inc | PR200 | |
| Osmocote Plus Dünger | BWI Companie,s Inc | OS90590 | |
| Parafilm M | Sigma Alfrich | P7793 | |
| Petrischale (60 x 15 mm) | USA Scientific, Inc | 8609-0160 | |
| Pflanztöpfe | BWI Companies, Inc | NP4000BXL | |
| Lebensmittelbehälter aus Kunststoff, wiederverwendet | Oscar Mayer | 4470003330 | |
| Kunststoff-Hängeetiketten | Amazon | B07QTZRY6T | |
| Blumenerde | Jolly Gardener | Pro-Line C/B | |
| Setzlings-Starterschalen | BWI Companies Inc | GPPF128S4 | |
| Spritzenfilter (0,22 μm) | ExtraGene | B25CA022-S | |
| Spalierhalterung | The Home Depot | 2A060006 | |
| Wasserbad |