Pinus halepensis somatic embryogenesis : effect of the environmental conditions at initial stages of the process

Abstract

Desde a implementação do Protocolo de Quioto que os governos europeus são instados a aumentar as áreas florestais através de florestamento/reflorestamento e a melhorar a eficiência dos sistemas florestais em termos de biomassa para evitar ou interromper processos de desertificação. Este facto deve-se ao papel crucial desempenhado pelas florestas tanto na resposta e mitigação dos efeitos das alterações climáticas como na manutenção e proteção da biodiversidade e dos recursos naturais. Por outro lado, o aumento da população mundial, seguido por uma enorme demanda por produtos das árvores, e o aquecimento global esperado, acompanhado pelo aumento de frequência e magnitude de eventos climáticos extremos, fazem o aumento da produtividade das árvores uma necessidade crítica. A embriogénese somática permite a regeneração, sob condições controladas, de uma nova planta a partir de pequenos explantes de tecidos, órgãos ou células vegetais, sendo uma ferramenta biotecnológica com potencial de propagação de clones a grande escala. De modo a estabelecer um protocolo de regeneração eficiente para Pinus halepensis, uma conífera nativa da região mediterrânica largamente utilizada para florestamento/reflorestamento, os efeitos dos ambientes físicos e químicos na fase de iniciação da embriogénese somática desta espécie foram testados. Para avaliar se diferentes temperaturas e/ou disponibilidades de água durante a iniciação das massas embriogénicas afetam as taxas de iniciação, proliferação, e/ou de maturação e o número de embriões produzidos, diferentes concentrações de goma gellan (2, 3, e 4 g L-1 de Gelrite®) foram adicionados ao meio de iniciação e os explantes (megagametófitos contendo embriões zigóticos imaturos) foram armazenados a três temperaturas diferentes (18, 23, e 28 ºC). Verificou-se que as condições ambientais durante a fase de iniciação da embriogénese somática de Pinus halepensis influenciam o sucesso das fases de iniciação e proliferação: a indução de embriogénese somática a menor disponibilidade de água (4 g L-1 de goma gellan) aumenta as taxas de iniciação e o armazenamento do meio de cultura na fase de iniciação a 23 ºC aumenta o sucesso de iniciação e proliferação. Não houve efeito das condições de iniciação sobre a taxa de maturação e os embriões somáticos podem ser obtidos em todos os tratamentos testados, podendo-se, assim, obter plantas a partir de condições extremas de indução (28 ° C e 4 g L-1). A "memória" epigenética provocada pelo ambiente onde estas plantas foram induzidas pode permitir-lhes uma maior resistência ao aquecimento e à seca previstas, permitindo que Pinus halepensis continue a ser uma espécie com uma grande distribuição e uma escolha eficaz para a reflorestação.

Since the implementation of the Kyoto Protocol, European governments are urged to increase forest areas trough afforestation/reforestation and to improve the efficiency of forest systems in terms of biomass to avoid or stop processes of desertification. This fact is due to the crucial role played by forests in the response and mitigation of climate change effects along with the maintenance and protection of biodiversity and natural resources. Moreover, increasing of world population followed by a huge demand for tree products and the expected climate warming, accompanied with an increase frequency and magnitude of extreme climate events, make the improvement of tree productivity a critical need. Somatic embryogenesis that allows the regeneration, under controlled conditions, of a new plant from small explants of tissues, organs or plant cells, is a biotechnological tool with potential for large-scale clonal propagation. In order to establish an efficient regeneration protocol for Pinus halepensis, a native Conifer from the Mediterranean area largely used for afforestation/reforestation, the effects of physical and chemical environments at initiation phase of this species SE were tested. To assess if different temperatures and/or water availability conditions during initiation of embryonal masses affect the rate of initiation, proliferation, and/or maturation, and the number of embryos produced, different concentrations of gellan gum (2, 3, and 4 g L-1 Gelrite®) were added to the initiation medium and the explants (megagametophytes containing immature zygotic embryos) were stored at three different temperatures (18, 23, and 28 ºC). It was found that environmental conditions during the initiation stage of Pinus halepensis somatic embryogenesis influence the success of initiation and proliferation. Induction of somatic embryogenesis with lower water availability (4 g L-1 of gellan gum) increases initiation rates and medium culture at 23 ºC during the initiation stage increases the success of initiation and proliferation. There was no effect of initiation conditions on the maturation rate and somatic embryos could be obtained in all treatments tested, indicating that plants can be obtained from extreme conditions of induction (28 ºC and 4 g L-1). The epigenetic “memory” provoked by the environment were these plants have been initiated may allow them to better resist to global drying and warning predictions, continuing Pinus halepensis to be a wide spread species and an effective choice for afforestation.