Development of sour cherry generative organs and formation of spring frost resistance

Abstract

Sour cherry (Prunus cerasus L. (sin. Cerasus vulgaris Mill., Prunus vulgaris Schur)) is widely grown stonefruit tree in Lithuania. Productivity of sour cherry orchard depends on many tightly related factors. It's know that negative temperature and spring frosts are important factors determinating plant productivity. These factors must be considered in plant breeding. Risks of extreme temperatures, humidity deficiency and spring frosts increases due to climate change. Plant reaction to climate change depends on plant species, cultivar and on biotic or abiotic factors. Spring starts earlier and suddenly during past years, thus vegetation of cherries starts earlier. However, probability of plant damage to spring frosts increases due to earlier vegetation, because plants are susceptible to negative temperatures due to loss of the predictive and consequential (secondary) dormancy. The aim of the research was to evaluate DNA polymorphism of sour cherry cultivars with different resistance to spring frosts, to characterize nature of phenological phase changes, to evaluate biochemical characteristics of sour cherry resistance to spring frosts formation by analysis of changes in carbohydrate amount and composition in generative organs and fruit ovaries at different phenological phases, and to evaluate changes in gene expression levels of galactinol synthase and raffinose synthase during flower development. It was established, that specific rhythm of phenological development is characteristic to different sour cherry genotypes. This enables to prepare selection schemes of genotypes with shorter phenological phases at which generative organs or flowers are the most susceptible to spring frosts, thus minimizing risk of frost injury. Differences in levels of galactinol synthase and raffinose synthase gene expression and related differences in amount of raffinose family carbohydrates in generative organs were identified. This enabled their use as molecular markers of resistance to frosts for selection of hybrids during the first year of growth. DNA fragments specific to spring frost resistance may be useful to establish breeding programs dedicated to development of sour cherry cultivars resistant to spring frost.

Paprastoji vyšnia (Prunus cerasus L. (sin. Cerasus vulgaris Mill., Prunus vulgaris Schur)) yra plačiai auginamas kaulavaisinis augalas Lietuvoje. Vyšnių sodo produktyvumas priklauso nuo daugelio tarpusavyje susijusių veiksnių. Oro temperatūra yra vienas svarbiausių vyšnių paplitimą ir jų derlių lemiantis veiksnys. Žinoma, kad neigiamos temperatūros ir pavasario šalnos yra svarbus veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti vykdant augalų selekciją. Keičiantis klimatui, didėja ekstremalių temperatūrų ir drėgmės deficito pavojus bei pavasario šalnų rizika (Augspurger, 2013). Augalų reakcija į klimato kaitos pokyčius priklauso nuo augalo rūšies ir veislės bei abiotinių ir biotinių veiksnių. Pastaraisiais metais pavasaris ateina greičiau ir staigiai. Tai paveikia vyšnias – jų vegetacija prasideda anksčiau. Anksti pradėjus vegetuoti išauga tikimybė, kad augalus pažeis pavasario šalnos. Lietuvoje nuostolių padaro vėlyvos pavasario šalnos, kurių metu pažeidžiami žiedai ir vaisių užuomazgos. Tuo metu augalai jau būna išėję iš būtinosios ir priverstinės ramybės ir jautrūs neigiamoms temperatūroms. Tyrimų tikslas buvo įvertinti skirtingo atsparumo šalnoms vyšnios veislių DNR polimorfizmą, fenologinių tarpsnių kaitos pobūdį, atskleisti paprastosios vyšnios atsparumo pavasario šalnoms formavimosi biochemines ypatybes ištiriant bendro angliavandenių kiekio ir jų sudėties kitimą skirtinguose fenologiniuose tarpsniuose esančių augalų generatyviniuose organuose ir vaisių užuomazgose, nustatyti galaktinolio sintazės ir rafinozės sintazės genų raiškos pokyčius žiedų raidos metu. Tyrimų metu nustatyta, kad įvairiems vyšnios genotipams yra būdingas savitas fenologinės raidos ritmas, tai sudaro prielaidas parengti atrankos sistemas genotipams, kurių fenologiniai tarpsniai, kai generatyviniai pumpurai ar žiedai labiausiai pažeidžiami pavasario šalnų, yra trumpiausi, o žiedų ar vaisių užuomazgų pažeidimo šalčiu rizika mažiausia. Nustatyti galaktinolio sintazės ir rafinozės sintazės genų raiškos skirtumai bei su šių genų veikla susijęs rafinozės šeimos angliavandenių kiekis generatyviniuose organuose, kurie gali būti naudojami kaip žymekliai atsparumo šalnoms atrenkant hibridus pirmaisiais auginimo metais. Būdingus atsparioms veislėms specifinius DNR fragmentus galima panaudoti sudarant atsparių pavasario šalnoms vyšnios veislių selekcijos programas.