Somatische Hybridisierungen zwischen Vertretern der Gattungen Petunia und Calibrachoa Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Gartenbauwissenschaften -Dr. rer. hort.- genehmigte Dissertation von Dipl.- Ing. agr. Lara Meyer geboren am 30.09.1974 in Hildesheim 2006 Referent: Prof. Dr. M. Serek Korreferent: Prof. Dr. T. Winkelmann Tag der Promotion: 11.05.2007 2 Kurzfassung Petunia und Calibrachoa sind ein fester Bestandteil des heutigen Beet- und Balkonpflanzensortiments. Von züchterischer Seite besteht ein großes Interesse daran, die positiven Eigenschaften beider Pflanzen, wie z. B. Farbvielfalt der Calibrachoa sowie die Toleranz der Petunia gegenüber höheren pH-Werten, zu vereinen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die somatische Hybridisierung zwischen Petunia und Calibrachoa mittels Protoplastenfusion. Hierbei wurde ein System für die Isolierung und Regeneration von Mesophyll- sowie Petalenprotoplasten für verschiedene Petunia- und Calibrachoa-Genotypen etabliert. Abhängig von Genotyp und Versuch variierte dabei die Anzahl der isolierten Protoplasten beträchtlich. So wurden für die Calibrachoa-Genotypen im Mittel Ausbeuten zwischen 1,1 und 4,2 x 106 Protoplasten je Gramm Frischmasse und für die Petunia-Genotypen zwischen 0,6 und 3,5 x 106 je Gramm Frischmasse erzielt. Die Protoplasten- sowie Kalluskultur erfolgte in verschiedenen Medien, welche zu gleichen Teilen Auxin sowie Cytokinin (1,0 bzw. 0,5 mg/l) enthielten. Für die Regeneration von Sprossen wurden verschiedene cytokininbetonte Medien getestet. Zellteilungen sowie Kallusbildung wurden mit einer Ausnahme bei allen untersuchten Genotypen beobachtet. Abhängig vom Genotyp unterschieden sich die ermittelten Teilungsraten, die für sieben Calibrachoa- und vier Petunia-Genotypen ermittelt wurden, jedoch beträchtlich. Ebenso wie bei der Teilung wurden auch bei der Sprossregeneration genotypische Unterschiede beobachtet. Vier der neun untersuchten Calibrachoa-Genotypen regenerierten auf den untersuchten Medien keine Sprosse, während bei den anderen fünf Genotypen deutliche Unterschiede in der Regenerationsrate abhängig von dem Phytohormongehalt der Medien beobachtet werden konnten. Zur Charakterisierung der aus Protoplasten hervorgegangenen Regenerate wurden 55 bzw. 70 Pflanzen zweier Calibrachoa Genotypen, sowie 85 bzw. 70 Pflanzen, regeneriert aus Mesophyll- bzw. Petalenprotoplasten eines Petunia-Genotyps, ins Gewächshaus überführt. Die Rate der erfolgreich ins Gewächshaus überführten Pflanzen lag bei 96 - 98 %. Neben zwei Pflanzen mit Chlorophylldefekten wurde für 2,3 und 5,8 % der untersuchten Pflanzen eine veränderte Ploidiezahl beobachtet. Die Selektion der Heterofusionsprodukte sollte zunächst durch die Stoffwechselinhibitoren Rhodamin 6G und Jodacetamid erfolgen. Es konnte jedoch keine Konzentration ermittelt werden bei der effektiv und reproduzierbar die Teilung der Protoplasten gehemmt wurde. Für die Protoplastenfusion wurde ein Protokoll zur Massenfusion mittels PEG etabliert. Durch die Verwendung von Petalenprotoplasten, gekennzeichnet durch ihre intensive Färbung als einer der Fusionspartner, war es möglich, die Fusion der Protoplasten sowie die Entwicklung der heterologen Fusionsprodukte während der ersten Teilungen zu verfolgen und so die Fusion zwischen Petunia- und Calibrachoa-Protoplasten nachzuweisen. Es konnten Heterofusionsraten von bis zu 17 % erzielt werden. Durch die Verwendung so genannter “Cell Finder“ Objektträger (Objektträger mit einem Koordinatensystem bestehend aus Feldern mit Buchstaben und Zahlen) auf die die Protoplasten nach der Fusion mittels Agarose plattiert wurden, konnte die Position der heterologen Fusionsprodukte auf dem Träger zu jedem Zeitpunkt der Kultur bestimmt werden. Die mutmaßlich heterologen Mikrokallusse wurden auf ein mit Agarose verfestigtes Kalluswachstumsmedium überführt. Im Anschluss daran erfolgte die Sprossregeneration. Die Untersuchung der Fusionskallusse erfolgte mittels RAPD- bzw. AFLP-Analyse, dabei wiesen mehrere Kallusse aus Kombinationen verschiedener Genotypen Banden beider Eltern auf. Es ist davon auszugehen, dass es sich bei diesen um Hybridkallusse handelt. Bis zum Abschluss der vorliegenden Arbeit regenerierten zwei dieser Kallusse Sprosse. Der Hybridstatus dieser Sprosse konnte jedoch mittels RAPD-Analyse nicht nachgewiesen werden. (Schlagwörter: Petunia, Protoplasten, somatische Hybridisierungen) 2 Abstract Petunia and Calibrachoa are ornamental plants of worldwide economic importance. For breeding purposes it is interesting to combine the favourable characteristics of Calibrachoa, such as the spectrum of flower colours, and the better pH tolerance of Petunia. Somatic hybridization is a suitable method for combining these characteristics and for creating genetic variability in species that can not be hybridized by sexual crossings. Somatic hybridization between Petunia- and Calibrachoa- protoplasts was the main objective of presented PhD thesis. A system for protoplast isolation and regeneration of mesophyll and petal protoplasts was developed for different genotypes of Petunia and Calibrachoa. Depending on the genotype there was a big variation in the number of isolated protoplasts. Protoplast yield varried between 1,1 and 4,2 x 106 protoplasts per gramm fresh weight for Calobrachoa and between 0,6 and 3,5 x 106 protoplasts per gramm fresh weight for Petunia. The protoplast culture media for protoplast regeneration and callus culture contained auxins and cytokinins, both at the same proportion (1,0 or 0,5 mg/l). For shoot regeneration different media with different concentrations of cytokinins and auxins were tested. Cell division and callus formation were achieved for all genotypes, except one. Depending on the genotypes there was a big variation in cell division rates analyzed for seven Calibrachoa and four Petuia genotypes. Big differences where also observed in shoot regeneration. Shoot regeneration was only observed for four of nine analyzed Calibrachoa genotypes and was depending on phytohormon combination and concentration of the medium. Shoot regeneration was achieved only for some genotypes. A part of shoots (280 in total, originated from three different genotypes) were transferred into the greenhouse and analyzed by flow cytometry. The acclimatization rate varried between 96 and 98 %. The fraction of plants with changes in ploidy level was higher for two Calibrachoa genotypes (7,5 % and 5,8 %), regenerated from diploid base material, than for the Petunia genotype (2,3 % and 0 %), regenerated from tetraploid material. The heterofusion products should be selected by the cell cycle inhibitors rhodamine 6 G and iodoacetate. Unfortunately, no concentration for effective and reproducible inhibition of cell division was found and therefore this strategy was abandoned. A protocol for protoplast fusion applying PEG was established. The use of petal protoplasts as one fusion partner characterized by their colour allows the observation of heterofusion products during the first cell divisions. But the colour decreased with every cell division. Heterofusionrates up to 17 % could be obtained. Cell finder slides with a coordinate system offered the opportunity to identify the position of the heterofusion products which where fixed on the slide with agarose. The calluses regenerated from different fusion experiments were transferred to agarose solidified callus regeneration media. The calluses obtained where analysed RAPD analysis. Some of the amplified band pattern contained bands of both fusion parents. These calluses could be hybrid calluses. The hybrid nature of some calluses was also proven by AFLP analysis. Until the end of the presented PhD study only two of this calluses regenerated shoots but after RAPD analysis no hybrid Shoots were detected. (keywords: petunia, protoplasts, somatic hybridization) Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis........................................................................ Tabellenverzeichnis............................................................................. Abbildungsverzeichnis......................................................................... 1 Allgemeine Einleitung........................................................................ 1 2 Charakterisierung des Pflanzenmaterial............................................ 6 2.1 Einleitung........................................................................................................ 6 2.2 Material und Methoden............................................................................................ 7 2.2.1 Pflanzenmaterial und Kultur.................................................................................... 7 2.2.2 Cytogenetische Untersuchung des Pflanzenmaterial mittels Durchfluss- cytometrie................................................................................................................. 10 2.2.3 Molekulargenetische Untersuchung des Pflanzenmaterials..................................... 10 2.2.3.1 Isolierung von Gesamt-DNA............................................................................. 11 2.2.3.2 Agarosegelelektrophorese.................................................................................. 11 2.2.3.3 Bestimmung der DNA-Konzentration............................................................... 12 2.2.3.4 RAPD-PCR........................................................................................................ 12 2.2.3.5