Selection of somatic fusion products in potato by hybrid vigour

Summary

Tetraploid potato plants were regenerated after polyethylene-glycol-induced protoplast fusion between dihaploids. Hybrid vigour of the regenerated calli was used for preselection of fusion products. Nearly all the selected vigorous clones possessed chromosome counts at the tetraploid level. Fusion products were compared to the parental material to auto-fused plants of and to three protoclones expressing different degrees of somaclonal variation. The selected clones, where grown in vitro in growth rooms and in pots in the glasshouse, showed increased vigour compared to their parents, to auto-fused and to 4x protoclones. Plants of clones from very vigorous calli, when assessed by height, the number of nodes per plant, leaf morphology and tuber production, showed hybrid vigour. The hypothesis that superior clones result from heterokaryons after protoplast fusion or that they arise from other in vitro events such as somaclonal variation is discussed.

Zusammenfassung

Die Verwendung dihaploider Kartoffelklone (2n=2x=24) in Züchtungsprogrammen, vor allem die Rückkehr zum tetraploiden Grad, wird sehr oft durch deren fehlende Fertilität verhindert. Dieses Problem dürfte am elegantesten durch somatische Fusion der Dihaploiden überwunden werden. Als Ergebnis einer solchen Prozedur würden sich, ausser der Paarung beider Ploidiestufen, die Addition qualitativer und quantitativer Merkmale ergeben. Grösstes Hindernis für die Anwendung der Protoplastenfusion ist das Fehlen eines brauchbaren Selektionssystems für die Separierung von homo- und heterokaryotischen Fusionsprodukten. In der hier beschriebenen Methode wurde der sehr kräftige Wuchs einiger Kalli für die Vorselektion einiger vermuteter Hybriden verwendet. Nach Anwendung der Polyethylenglykol-Fusions-methode (PEG, Tabelle 1) konnten von fünf selektierten dihaploiden Klonen (P1–P5) grosse Zahlen von Kalli und Pflanzen regeneriert werden, obwohl die PEG-Behandlung einen negativen Einfluss auf die Regenerationsrate hatte (Tabelle 2). Insgesamt wurden nach PEG-Behandlung 115 Kalli als vermutliche Hybriden, ihrer extremen Wuchsleistung entsprechend, selektiert. Tabelle 3 vergleicht die Ploidiestufen dieser selektierten Klone mit der von unbehandelten Elternklonen. Wegen der somaklonalen Variation wurden auch von nicht fusionierten Protoplasten viele tetraploide Klone gefunden. Ihre Zahl war allerdings signifikant kleiner, und unter den nicht PEG-behandelten Protoplasten waren immer einige diploide vorhanden. Die Tabellen 4 und 5 zeigen die Merkmale von 9 und 10 selektierten Klonen (Hy 1–10) in vitro und in vivo für Sprosslänge, Zahl der Nodien, Blattfläche, Blattform, Zahl der Wurzeln und allgemeiner Wachstumsleistung. In allen Fällen waren die gemessenen Parameter bei den selektierten Klonen signifikant grösser als bei den Kontrollen. Folglich kann das stärkere Wachstum der selektierten Klone nicht nur mit somaklonaler Variation erklärt werden. Es ist ein starkes Indiz für die Hybridnatur. Das Isoenzym-Muster der Esterasen unterstreicht diese Schlussfolgerung. Den Ergebnissen zufolge ist es möglich, somatische Hybriden anhand ihrer hybriden Vitalität vorzuselektieren. Dies sollte die Möglichkeit zur Entdeckung somatischer Hybriden in ausreichender Häufigkeit für praktische Züchtungsprogramme erhöhen.

Résumé

L'utilisation de clônes dihaploïdes (2n=2x=24) dans les programmes d'hybridation, et particulièrement le retour au niveau tétraploïde, est entravée par leur manque de fertilité. Ce problème pourrait être maitrisé élégamment par la fusion somatique de dihaploïdes. D'un tel procédé résulterait de plus l'héritage de caractères qualitatifs et quantitatifs apportés par le doublement de ploïdie. Le principal obstacle pour utiliser la fusion de protoplastes est l'absence d'un système de sélection approprié pour la séparation des homo et hétérokaryotes produits par la fusion. Par la méthode décrite dans cet article la grande vigueur de croissance de quelques cals a été mise à profit pour la présélection des présumés hybrides. Après l'adaptation du procédé de fusion au polyéthylène-glycol (PEG, tableau 1) sur cinq clônes dihaploïdes sélectionnés (P1–P5) un grand nombre de cals et de plantes pourrait être régénéré, bien que le traitement PEG ait une influence négative sur le taux de régénération (tableau 2). Au total 115 cals étaient sélectionnés après le traitement comme de présumés hybrides, en raison de leur extrème vigueur. Le tableau 3 compare les niveaux de ploïdie de ces clônes sélectionnés avec ceux des parents non traités. La variation somatique de protoplastes non fusionnés est également trouvée dans de nombreaux clônes tétraploïdes, leur nombre est cependant significativement plus petit, et parmi les protoclônes régénérés de protoplastes non traités quelques diploïdes sont toujours présents. Les tableaux 4 et 5 montrent les caractéristiques de 9 et 10 clônes sélectionnés (Hy 1–10) in vitro et in vivo, respectivement pour la longueur de pouses, le nombre de noeuds, la surface et la forme des feuilles, le nombre de racines et la vigueur générale. Dans tous les cas, les paramètres mesurés ont des valeurs significativement plus élevées dans les clônes sélectionnés que dans les témoins. En conséquence, leur vigoureuse croissance ne peut être expliquée seulement par la variation somatique mais elle constitue une indication sur la vigueur hybride. L'analyse des estérases souligne cette conclusion (figure 1). Ces résultats montrent qu'il est possible de présélectionner des hybrides somatiques par leur vigueur, ce qui augmente les possibilités de les détecter en quantité suffisante dans les programmes d'hybridation.