In Vitro Propagation and Ex Situ Conservation of the Western-Mediterranean Endemic Species Lapiedra Martinezii Lag
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
IN VITRO PROPAGATION AND EX SITU CONSERVATION OF THE WESTERN-MEDITERRANEAN ENDEMIC SPECIES LAPIEDRA MARTINEZII LAG. (AMARYLLIDACEAE) Jorge Juan Vicedo INSTITUT UNIVERSITARI D’INVESTIGACIÓ CIBIO FACULTAT DE CIÈNCIES TÍTOL: IN VITRO PROPAGATION AND EX SITU CONSERVATION OF THE WESTERN-MEDITERRANEAN ENDEMIC SPECIES LAPIEDRA MARTINEZII LAG. (AMARYLLIDACEAE) AUTOR: JORGE JUAN VICEDO Tesi presentada per a optar al grau de DOCTOR PER LA UNIVERSITAT D’ALACANT, MENCIÓ DE DOCTOR INTERNACIONAL PROGRAMA DE DOCTORAT EN BIODIVERSITAT I CONSERVACIÓ Dirigida per: SEGUNDO RÍOS RUIZ (Professor titular de Botànica) JOSÉ LUIS CASAS MARTÍNEZ (Professor titular de Fisiologia Vegetal) Per a la realització d’aquest treball d’investigació he gaudit d’una beca-contracte per a la Formació de Doctors del Vicerrectorat d’Investigació, Desenvolupament i Innovació de la Universitat d’Alacant (Referència FPU-UA: 2010-21685934). Tanmateix, i dins del programa de recerca de l’esmentada Universitat, he gaudit de finançament per a tres estades d’investigació a altres centres, dos d’ells estrangers, i poder optar així a la menció de Doctor Internacional. Resultats recollits en la present memòria han generat les següents publicacions en revistes indexades: - Juan-Vicedo, J.; Fernández-Pereira, J.; Ríos, S.; Casas J-L. and Martín, I. (2016). Seed germination and storage behaviour of Lapiedra martinezii (Amaryllidaceae). Seed Science and Technology, 44(1), 1-8. - Juan–Vicedo, J.; Marchev, A.; Ríos, S.; Casas J-L. and Pavlov A. (2016). Callus induction in Lapiedra martinezii Lag. (Amaryllidaceae): a South-West Mediterranean endemic medicinal plant. Journal of Medicinal Plants Research (en premsa). Durant els anys 2011-2014 vaig realitzar tres estades en diferents centres d’investigació (un nacional i dos estrangers) de les quals, els seus resultats han estan inclosos en la present memòria: part dels experiments dels Capítols 3 i 5 es van dur a terme al Centro de Recursos Fitogenéticos (Instituto de Investigaciones Agrarias y Tecnología Agroalimentaria) d’Alcalá de Henares, Madrid. Els experiments corresponents al cultiu in vitro dels calls (Capítol 4) es van desenvolupar íntegrament al Laboratory of Applied Biotechnologies del Stephan Angeloff Institute of Microbiology, Bulgarian Academy of Sciences (Plovdiv, Bulgaria). Part dels resultats obtinguts al Capítol 4, es van obtindre a la Faculty of Pharmacognosy de la University of Vienna (Viena, Àustria). Per últim, m’agradaria agrair a totes les persones que m’han ajudat durant tots aquests anys al laboratori, al camp, amb l’estadística, la redacció, les correccions de l’anglès i els tràmits administratius, etc. a poder materialitzar el treball realitzat al voltant de Lapiedra martinezii en la present memòria. També, agrair a la meva família, companys i amics per la seva paciència, consell i suport: moltes gràcies ☺. 0.- SUMMARY......................................................................................................................1 1.- GENERAL INTRODUCTION...............................................................................25 1.1.- The genus Lapiedra in the Mediterranean Region: L. martinezii Lag.......................27 1.2.- The ex-situ conservation strategies................................................................................33 1.2.1.- Seed germination physiology research and its importance in plant propagation and ex situ conservation................................................................................................33 1.2.2.- The in vitro culture techniques as a tool for plant propagation and conservation..................................................................................................................35 2.- OBJECTIVES………………………..……………………………………………….37 3.- SEED DORMANCY AND GERMINATION OF Lapiedra martinezii Lag.……………………………………………………………….………………………….41 3.1.- Introduction…………………………..………………………………………………...43 3.1.1.- Anatomy of seeds………………………………………………………...……43 3.1.1.1.- Seeds of Amaryllidaceae: anatomy and types……………………….43 3.1.1.2.- Structure of Lapiedra seeds…………………………………………44 3.1.2.- Seed germination physiology………………………………………………….44 3.1.2.1.- Seed dormancy and germination…………………………………….44 3.1.2.2.- Seed dormancy of Amaryllidaceae species……………………...…..48 3.1.2.3.- Seed germination of Amaryllidaceae species……………………….50 3.1.2.4.- The role of cold, warm and gibberelline pre-treatments to overcome dormancy and promote seed germination…………………………………..…51 3.2.- Objectives…………...………………………………………………………………….53 3.3.- Material and methods………………..………………………………………………...53 3.3.1.- Seed collection and preparation……………………………………………….53 3.3.2.- Seed germination of Lapiedra martinezii……………………………………..55 3.3.2.1.- The effect of temperature on seed germination……………………..55 3.3.2.2.- The effect of light regime on seed germination……………………..55 3.3.2.3.- The effect of a cold pre-treatment on seed germination……………55 3.3.2.4.- The effect of a warm pre-treatment on seed germination…………..55 3.3.2.5.- The effect of gibberellic acid on seed germination…….……………56 3.3.2.6.- Statistical analyses…………………………………………………..56 3.4.- Results and Discussion…………………..…………………………………………….58 3.4.1.- Seed germination of Lapiedra martinezii…………………………………......58 3.4.1.1.- The effect of temperature on seed germination……………………..58 3.4.1.2.- The effect of light regime on seed germination……………………..58 3.4.1.3.- The effect of a cold pre-treatment on seed germination……………61 3.4.1.4.- The effect of a warm pre-treatment on seed germination………….63 3.4.1.5.- The effect of gibberellines on seed germination…………………..65 3.5.- Conclusions……………………..………………………………………………………67 4.- BIOTECHNOLOGICAL APPROACHES TO THE MANAGEMENT OF L. MARTINEZII GERMPLASM…...………………………………………………………………………69 4.1.- Introduction………………..…………………………...………………………………71 4.1.1.- Micropropagation techniques and process…………………………………….71 4.1.1.1.- The basis of micropropagation……………………………………....72 4.1.1.2.- Stages in the micropropagation process……………………………..73 4.1.2.- Application of in vitro techniques in bulbous plant propagation…………...…74 4.1.3.- Callus induction as a source of new germplasm……………………………....75 4.2.- Objectives…………………………...………………………………………………….76 4.3.- Material and methods……………..…………………………………………………...77 4.3.1.- Bulb collection and preparation…………………………………………….…77 4.3.2.- In vitro seedling cultures………………………………………………………77 4.3.2.1.- Seed collection and preparation……………………………………..77 4.3.2.2.- Seed surface sterilization………………………………………….....78 4.3.2.3.- Initiation of seedlings cultures………………………………………78 4.3.2.4.- Stock maintenance of seedlings cultures…………………………….81 4.3.2.5- Rooting and Acclimatization of microplants………………………...81 4.3.3.- Tissue culture of bulb scales………………………………………………..…82 4.3.3.1.- Bulb sterilization…………………………………………………….82 4.3.3.2- Initiation of in vitro cultures…………………………………………82 4.3.3.3.- Multiplication………………………………………………………..83 4.3.3.4- Rooting and Acclimatization………………………………………...84 4.3.4.- Callus induction as a source of new germplasm………………………………85 4.3.4.1.- Obtaining in vitro callus cultures……………………………………85 4.3.5.- Statistical analyses…………………………………………………………….87 4.4.- Results and Discussion………………..……………………………………………….88 4.4.1.- In vitro seedling cultures……………………………………………………....88 4.4.1.1.- Initiation of seedlings cultures………………………………………88 4.4.1.2.- Stock maintenance of seedlings cultures and rooting……………….91 4.4.1.3- Acclimatization of microplants……………………………………....92 4.4.2.- Tissue culture of bulb scales…………………………………………………..93 4.4.2.1.- Bulb sterilization and initiation of in vitro cultures…………………93 4.4.2.2.- Multiplication of bulb scales……………………………………...…96 4.4.2.3- Rooting and Acclimatization…………………………………..…....104 4.4.3.- Callus induction as a source of new germplasm……………………………..105 4.4.3.1.- Obtaining in vitro callus cultures…………………………………..106 4.5.- Conclusions…………………...…………………………………………………..…...115 5.- STORAGE BEHAVIOUR AND LONG-TERM PRESERVATION OF L. martinezii SEEDS…………………………………………………………………...119 5.1.- Introduction………………..………………………………………………………….121 5.1.1.- Seed Storage behavior and desiccation tolerance……………………………121 5.1.2.- Long-term seed storage as ex situ conservation strategy: storage below 0ºC and cryopreservation……………………………………………………….…………….122 5.1.3.- The Seed Moisture Content (SMC) and its role on long term seed storage…………………………………………………………………………...…..123 5.2.- Objectives………………...…………………………………………………………...128 5.3.- Material and Methods……………..…………………………………………………128 5.3.1.- Determination of the Seed Moisture Content (SMC) and desiccation tolerance…………………………………………………………………………..…128 5.3.2.- Seed storage behavior and long-term conservation of L. martinezii………...130 5.3.2.1.- Seed germination trials…………………………………………..…131 5.3.3.- Statistical analyses…………………………………………………………...132 5.4.- Results and Discussion………..……………………………………………………...132 5.4.1- Long term conservation of seeds…………………………………………..…132 5.4.1.1.- Determination of the Seed Moisture Content (SMC)…………...…132 5.4.1.2.- Seed desiccation tolerance………………………………………....134 5.4.1.3.- Long term seed storage…………………………………………….134 5.5.- Conclusions………………………..…………………………...……………………..137 6.- GENERAL CONCLUSONS……………………………………………………..139 7.- PROTOCOLS.............................................................................................................144 8.- REFERENCES…………………………………...…………………………………153 0.- SUMMARY ~ 1 ~ ~ 2 ~ SUMMARY 1.- Introducció general 1.1.- Lapiedra martinezii Lag. Lapiedra martinezii Lag. (Amaryllidaceae) és un geòfit que creix en comunitats vegetals termòfiles