The effect of light spectral quality on cryopreservation success of potato (<em>Solanum tuberosum</em> L.) shoot tips <em>in vitro</em>

• Main Author: Edesi, J. (Jaanika)
• Other Authors: Häggman, H. (Hely)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2018
• Subjects: LEDs; clonal crop; gene expression; illumination; in vitro; long-term preservation; plant genetic resources; transcriptome; vegetative propagation; LED-valot; geeniekspressio; in vitro -kasvatus; kasvigeenivarat; kasvullinen lisäys; pitkäaikaissäilytys; transkriptomi; valaistus
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526219219; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526219219

Abstract Cryopreservation enables storage of genetic resources at ultra-low temperatures (&#60;-150&#176;C) while maintaining viability and regeneration capability. The method is especially suitable for long-term preservation of plant materials that cannot be stored as seeds. The genetic resources of potato (Solanum tuberosum L.), one of the most important food crops in the world, are preserved almost entirely by vegetative preservation. Cryopreservation is therefore increasingly applied for securing potato genetic resources in plant genebanks. A major challenge is, however, that recovery percentages can extensively vary among different genotypes. Light spectral quality is among the most important factors affecting plant growth and morphogenesis, but its effect with regard to cryopreservation has not been studied. In the present thesis, I studied the effect of six different light qualities on cryopreservation success of five potato cultivars before and after cryopreservation. I also explored how the different light conditions affect gene transcript abundance of recovering potato shoot tips. The results indicate that light spectral quality significantly affects the cryopreservation success of potato shoot tips in vitro. Prior to cryopreservation, cultivation under blue LEDs resulted in high initial survival, while post-cryopreservation exposure to a combination of red and blue LEDs (90% red, 10% blue) doubled the regeneration percentages. Concurrently, for most cultivars, red LEDs had adverse effects both before and after cryopreservation. The transcriptome analysis of potato shoot tips revealed the complex and extensive effect of cryopreservation on transcript abundance. Moreover, the expression level of stress- and defence-responsive genes was affected by light spectral quality. The positive effect of red-blue LEDs on shoot formation could tentatively be associated with a higher level of morphogenesis-related transcripts and lower level of stress and defence-responsive transcripts. The present thesis reveals that light spectral quality is an additional non-cryogenic factor, which can significantly increase the cryopreservation efficiency of plant germplasm. === Tiivistelmä Syväjäädytys mahdollistaa geenivarojen säilytyksen erittäin alhaisissa lämpötiloissa (&#60;-150&#176;C), siten että niiden elin- ja uusiutumiskyky säilyvät. Menetelmä soveltuu erityisesti sellaisten kasvimateriaalien pitkäaikaissäilytykseen, joita ei voida säilöä siementen avulla. Peruna (Solanum tuberosum L.) on yksi maailman tärkeimmistä ruokakasveista ja sen geenivaroja säilytetään lähes pelkästään vegetatiivisesti. Syväjäädytysmenetelmää käytetäänkin kasvavissa määrin perunan geenivarojen taltioimiseen geenipankeissa. Haasteena on kuitenkin syväjäädytyksen jälkeinen suuri vaihtelu elpymisprosenteissa eri genotyyppien välillä. Valon laatu on yksi tärkeimmistä kasvien kasvuun ja kehitykseen vaikuttavista tekijöistä, mutta sen vaikutusta syväjäädytyksen yhteydessä ei ole tutkittu. Väitöskirjassani tutkin kuuden erilaisen valonlaadun vaikutusta sekä syväjäädytystä edeltävän että sen jälkeisen kasvatuksen aikana viiden perunalajikkeen selviytymiseen. Lisäksi tutkin, miten erilaiset valo-olosuhteet vaikuttivat geenien ilmenemiseen elpyvissä perunan versonkärjissä. Tutkimukseni osoitti, että valon laatu vaikuttaa merkittävästi perunan versonkärkien kykyyn elpyä syväjäädytyksestä in vitro -olosuhteissa. Kun perunan versonkärkiä kasvatettiin sinisten LED-valojen alla ennen syväjäädytystä, niiden elävyysprosentit olivat korkeita, kun taas syväjäädytystä seuraava kasvatus sinipunaisten LED-valojen (90 % punaista, 10 % sinistä) alla kaksinkertaisti uusiutumisprosentit. Samanaikaisesti suurimmalle osalle lajikkeista punaisilla LED-valoilla oli epäsuotuisat vaikutukset selviytymiseen sekä syväjäädytystä edeltävän, että sitä seuraavan kasvatuksen aikana. Perunan kärkisilmujen geeniekspressioanalyysi osoitti, että syväjäädyttäminen aiheuttaa laajoja ja monitahoisia vaikutuksia kasvin geenien toiminnassa. Valon laatu vaikutti erityisesti stressi- ja puolustusgeenien ilmenemiseen. Tulokset viittaavat siihen että sinipunaisten LED-valojen uusiutumista edistävä vaikutus voi liittyä morfogeneesissä toimivien geenituotteiden runsauteen ja toisaalta stressi- ja puolustusgeenituotteiden määrän laskuun. Kaiken kaikkiaan tutkimukseni osoitti, että valon laatu on tärkeä ei-kryogeeninen tekijä, joka voi lisätä kasvien syväjäädytyksen tehokkuutta.