Somatic embryogenesis response in Argentinian sugarcane genotypes for in vitro mutagenesis application

Abstract

Somatic embryogenesis is an excellent process for chemical mutation induction as somatic embryos originate from a single cell, hence limiting chimeras to very low frequencies in regenerated mutants. Callus formation and plant regeneration in sugarcane vary with genotype, explant type and culture conditions. Furthermore, optimization of the appropriate mutagen dose and dose rate is an important step in mutagenesis. We explored the somatic embryogenesis response of five genotypes developed and selected by the INTA sugarcane-breeding program, with the aim of identifying genotypes for successful in vitro mutagenesis. We evaluated the success rate of embryogenic callus initiation and proliferation, plant regeneration, acclimatization and field transfer. In addition, embryogenic calli of one genotype (INTA CP 98-828) were exposed to different doses of ethyl methanesulfonate (EMS) to induce genetic variation. Results showed different tissue-culture responses among genotypes. Four cultivars produced embryogenic calli and regenerated plantlets with high acclimatization and field survival. Cultivar INTA CP 98-828 showed the best in vitro culture response and was selected for mutagen treatments. In the mutagenesis assay, there were significant differences in recovery capacity, callus sensitivity and regeneration capacity among EMS doses evaluated. EMS concentrations ≤ 32 mM for 3 h exposure were optimal to regenerate a sufficiently large number of normal plants in INTA CP 98-828. Our results show the prospect of exploiting this approach to introduce new genetic variants in the INTA sugarcane-breeding program.

La embriogénesis somática es un excelente proceso para la inducción química de mutaciones, ya que los embriones somáticos se originan a partir de una única célula, disminuyendo la frecuencia de aparición de quimeras entre las plantas regeneradas. En caña de azúcar, la formación de callos y la regeneración de plantas varían según el genotipo, el tipo de explante y las condiciones de cultivo. Además, la optimización de la dosis de mutágeno y el tiempo de exposición apropiados es un paso esencial en la mutagénesis. En este estudio, exploramos la respuesta a la embriogénesis somática de cinco genotipos de caña de azúcar desarrollados y seleccionados por el programa de mejoramiento genético de INTA, con el objetivo de identificar genotipos adecuados para la aplicación de mutagénesis in vitro. Se evaluaron las capacidades de establecimiento y proliferación de callos embriogénicos, regeneración de plantas, así como las capacidades de aclimatación y trasplante a campo. Así también, se expusieron callos embriogénicos de un genotipo seleccionado (INTA CP 98-828) a diferentes dosis de etil metanosulfonato (EMS) para inducir variación genética. Los resultados mostraron diferentes respuestas al cultivo de tejidos entre los genotipos evaluados. Cuatro cultivares produjeron callos embriogénicos y plántulas regeneradas con alta aclimatación y supervivencia en el campo. El cultivar INTA CP 98-828 mostró la mejor respuesta al cultivo in vitro por embriogénesis somática y se seleccionó para los tratamientos mutagénicos. En el ensayo de mutagénesis, hubo diferencias significativas en la capacidad de recuperación, la sensibilidad de los callos al mutágeno y la capacidad de regeneración entre las dosis de EMS evaluadas. Las concentraciones de EMS ≤ 32 mM con un tiempo de exposición de 3 h fueron óptimas para regenerar un número suficientemente grande de plantas normales en el cultivar INTA CP 98-828. Nuestros resultados exhiben la posibilidad de aprovechar este enfoque para introducir nuevas variantes genéticas en el programa de mejoramiento genético de caña de azúcar de INTA.

L'embryogenèse somatique est une excellente procédure pour appliquer l’induction de mutations chimiques car les embryons somatiques proviennent d'une cellule unique, limitant ainsi les chimères à de très basses fréquences chez les mutants régénérés. La formation de cals et la régénération des plantes chez la canne à sucre varient selon le génotype, le type d'explant et les conditions de culture. En outre, l’optimisation de la dose de mutagène et de la durée d’exposition est une étape importante de la mutagenèse. Nous avons exploré la réponse de l'embryogenèse somatique de cinq génotypes développés et sélectionnés par le programme d’amélioration de la canne à sucre INTA, dans le but d'identifier les génotypes répondant le mieux à la mutagenèse in vitro. Nous avons évalué le taux de réussite de l'initiation et de la prolifération des cals embryogènes, de la régénération des plantes, de l'acclimatation et du transfert sur le terrain. De plus, des cals embryogènes d'un génotype (INTA CP 98-828) ont été exposés à différentes doses de méthanesulfonate d'éthyle (EMS) afin d'induire une variation génétique. Les résultats ont montré des réponses de culture tissulaire différentes selon les génotypes. Quatre cultivars ont produit des cals embryogènes et des plantules régénérées avec un taux d’acclimatation élevée et bonne survie au champ. Le cultivar INTA CP 98-828 a montré la meilleure réponse en culture in vitro et a été sélectionné pour les traitements par mutagène. Le test de mutagenèse a montré qu’il existait des différences significatives en termes de capacité de récupération, de sensibilité des cals et de capacité de régénération entre les doses de EMS évaluées. Les concentrations EMS ≤ 32 mM pour une exposition de 3 h étaient optimales pour régénérer un nombre suffisant de plantes normales avec INTA CP 98-828. Nos résultats montrent la possibilité d'exploiter cette approche pour introduire des variants génétiques dans le programme de sélection de la canne à sucre INTA.