Abstract | Imerzni sustav bioreaktora predstavlja potpuno kontrolirani modularni biotehnološki sustav koji koristi tekuću hranjivu podlogu, bez dodatka agara. Jedan od postojećih problema uzgoja biljaka u ovakvim sustavima je pojava vitrifikacije ili hiperhidriranosti. Vitrifikacija se u kulturi tkiva vizualno manifestira brojnim morfološkim poremećajima kao što su razvoj transparentnih listova, nabubrenih stabljika i deformiranih izdanaka koji postaju lomljivi ili nekrotični. Doktorska disertacija temelji se na istraživanju optimizacije uzgojnih uvjeta u mikropropagaciji borovnice (Vaccinium corymbosum L.) u TIB/TIS sustavu (SETISTM) s ciljem smanjenja štetne vitrifikacije primjenom nanočestica SiO2 i ZnO te biljnog regulatora floroglucinola. Istraživanje je provedeno na Fakultetu agrobiotehničkih znanosti Osijek tijekom 2020. i 2021. godine. Tekući medij sadržavao je mikro- i makroelemente WPM hranjive podloge (pH 5,0) uz dodatak 30 g/L šećera, 2 mg/L zeatina i 2 ml/L PPM-a. Istraživanje je uključivalo kontrolnu varijantu, četiri tretmana s primjenom nanočestica silicija (30 i 74 mg/L nano-SiO2) i cinka (1 i 10 mg/L nano-ZnO), dva tretmana biljnim regulatorom floroglucinolom (40 i 80 mg/L) te četiri tretmana kombinacije pojedinih nanočestica s floroglucinolom. Po završetku kultivacijskoga perioda (40 dana) utvrđen je značajni utjecaj tretmana na indeks vitrifikacije, anatomske značajke lista, morfološke pokazatelje rasta i razvoja, stabilnost hranjivog medija, bioakumulaciju elemenata mineralne ishrane te fiziološko-biokemijski odgovor biljaka borovnice. Indeks vitrifikacije kretao se od 10 do 40 %. Kontrolni tretman rezultirao je vitrifikacijom od 40 %. Analizom vitrificiranog biljnog materijala utvrđeno je veliko odstupanje od pravilnog rasporeda i građe staničja mezofila lista. Značajno veći broj puči zabilježen je kod tretmana floroglucinolom, ali i kod tretmana njegove kombinacije s nano-SiO2 i nano-ZnO. Tretmani nano-SiO2 značajno su reducirali broj puči. Analizirani morfometrijski parametri i parametri produktivnosti nakon tretmana nano-SiO2 te kombinacije s floroglucinolom nisu se značajno razlikovali u odnosu na kontrolni tretman. Nasuprot tome, tretmani nano-ZnO smanjili su vrijednosti morfometrijskih parametara te multiplikaciju, osim kombinacije floroglucinola s nano-ZnO gdje su utvrđeni značajno veći izdanci. Smanjenje koncentracija elemenata biljne ishrane pratilo je dinamiku usvajanja elemenata u biljnom tkivu eksplantata. Bioakumulacija Zn i Si u biljnom tkivu u odnosu na kontrolni tretman bila je u pozitivnoj korelaciji s vrijednostima nano-SiO2 i nano-ZnO primijenjenim kroz zadane tretmane neovisno o koncentraciji. Primjena nano-SiO2 kao i nižih koncentracija floroglucinola nije utjecala na povećanje sadržaja ukupnog klorofila i karotenoida. Nasuprot tome, tretmani nano-ZnO i floroglucinolom, kao i tretmani kombinacije nano-SiO2 i nano-ZnO s floroglucinolom, rezultirali su smanjenjem sadržaja ukupnog klorofila i karotenoida. Primjena nano-SiO2 nije imala stresan učinak na pokazatelje fiziološko-biokemijskog odgovora kao što su sadržaj ukupnog klorofila i karotenoida, ukupnih fenola, sadržaj askorbinske kiseline i ukupne antioksidacijske aktivnosti. Također je kod navedenih tretmana utvrđena niska stopa vitrifikacije (20 %) te pravilne proporcije morfometrijskih parametara s parametrima produktivnosti u razini kontrole. Floroglucinol u nižoj koncentraciji od 40 mg/L također nije utjecao na promjenu sadržaja produkata lipidne peroksidacije. Sadržaj ukupnog klorofila i karotenoida, ukupnih fenola, antioksidativna aktivnost te sadržaj askorbinske kiseline bili su u razini kontrolnog tretmana, uz pozitivni učinak na pojedine morfometrijske parametre, produktivnost te indeks vitrifikacije. Rezultati istraživanja upućuju na potencijal primjene nano-čestica SiO2, ali i biljnog regulatora floroglucinola, u supresiji vitrifikacije izdanka borovnice pri uzgojnim uvjetima TIB/TIS bioreaktora na tekućem
hranjivom mediju. Usavršavanje protokola ukazuje na potrebu određivanja preciznijih koncentracija, ali i oblika Si, odnosno floroglucinola kao modela opcijskog reagensa u naknadnoj subkultivacijskoj fazi. |
Abstract (english) | A temporary Immersion Bioreactor System (TIB/TIS) is a fully controlled, modular biotechnical system that uses a liquid nutrient medium without agar addition. One of this system’s existing problems, however, is the emergence of vitrification (hyperhydricity), which is visually manifested in the form of plants’ morphological disorders, transparent leaf development, and swollen stems and shoots, which are deformed and become brittle.
The dissertation is based on research of growing condition optimization in blueberry (Vaccinium corymbosum L.) micropropagation by a TIB/TIS system (SETISTM), with the aim of reducing harmful vitrification when applying SiO2 and ZnO nanoparticles and phloroglucinol as a plant growth regulator. The experiment was conducted at the Faculty of Agrobiotechnical Sciences Osijek during the years 2020 and 2021. The liquid nutrient medium contained the micro- and macroelements of the WPM medium (pH 5.0), with the addition of 30 g/L of sugar, 2 mg/L of zeatin, and 2 ml/L of PPM. The experiment included a control variant, four treatments using different nanoparticles (30 and 74 mg/L of nano-SiO2 and 1 and 10 mg/L of nano-ZnO, respectively), two plant growth regulator (40 and 80 mg/L of phloroglucinol) treatment, and four treatments using individual nanoparticle combinations with the plant growth regulator. At the end of the cultivation period (40 days), a significant effect of the treatment was determined on the vitrification index, leaf anatomy, morphological parameters, nutrient medium stability, mineral nutrition elements’ bioaccumulation, and blueberry plants’ physiological‐biochemical response. The vitrification index was within the range of 10 % to 40 %. The control treatment resulted in forty‐percent vitrification. By analyzing the vitrified plant material (40 %), a large deviation from a proper arrangement and structure of the leaf mesophyll cells was detected. Thus, a significantly larger stomata number was detected in the phloroglucinol treatment, as well as in the treatment of its combination with nano-SiO2 and nano-ZnO. Nano-SiO2 treatments significantly reduced the stomata number. By analyzing the morphometric and productivity parameters, nano-SiO2 treatments, and a combination with phloroglucinol, the values of a control treatment were obtained. In contrast, the nano-ZnO treatments reduced the values of morphometric parameters and multiplication, except in the case of phloroglucinol treatment with nano-ZnO, which resultn the significantly higher shoots. The decreasing concentrations of plant nutrition elements followed the element adoption dynamics within the explant plant tissue. In relation to the control treatment, the bioaccumulation of zinc (Zn) and silicon (Si) in the plant tissue is positively correlated to the values of nano-SiO2 and nano-ZnO, applied through the given treatments regardless of concentrations. The application of nano-SiO2, as well as the lower phloroglucinol levels, did not affect an increase in the total chlorophyll and carotenoid content. In contrast, the treatments of nano-ZnO, phloroglucinol, and the combination of nano-SiO2 and nano-ZnO with phloroglucinol resulted in a decrease in total chlorophyll and carotenoid content. A physiological‐biochemical response to the application of nano-SiO2 did not exert a stressful effect on the plants, and simultaneously the content of total chlorophyll and carotenoids, total phenols, and antioxidant activity and ascorbic acid did not change. Likewise, in the mentioned treatments, a low vitrification rate (20 %) and the correct morphometric and productivity proportions were established on the control level. Also, phloroglucinol, in a lower concentration of 40 mg/L, did not affect on the change of lipid peroxidation products content. The content of total chlorophyll and carotenoids, total phenols, antioxidant activity, and ascorbic acid are at the level of control treatment, with a positive effect exerted on certain morphometric parameters, productivity,
and vitrification index. The research results indicate a potential of using SiO2 nanoparticles, as well as the phloroglucinol plant regulator, in suppressing the blueberry shoots’ vitrification in the TIB/TIS bioreactor under the growing conditions on a liquid nutrient medium. A protocol improvement imposes a necessity to determine the more precise concentrations and silicon forms and to determine phloroglucinol as an optional reagent model in a subsequent sub‐cultivation phase. |