Mathematical model for describing the post-cryopreservation viability of fruit and berry cuttings

Abstract

A mathematical model that simplifies the determination of optimal parameters ensuring the maximum viability of frozen-thawed fruit and berry cuttings was developed. Values of the minimum amount of intracellular water ƞ1min, which minimizes the plasmolysis probability, and ƞ2min, which minimizes the probability of intracellular ice formation, were determined with due account for the bioobject heterogeneity. Free water amounts Δƞ, forming ice crystals inside the cell during cryopreservation of different of fruit and berry varieties, were calculated. The optimal conditions for cutting dehydration (temperature Ti and incubation time t2, minimum amount of intracellular water ƞmin) ensuring the maximum viability after drying and low-temperature adaptation to cryopreservation were selected. The individual features of the viability of frozen-thawed cuttings of different species were quantitatively reflected in the free water index Δƞ. The maximum viability of frozen-thawed birch and blackcurrant cuttings was achieved, when intracellular water was in the bound, vitrified state Δƞ = 0. The calculated Δƞ > 0 for cuttings of different varieties of apple- and pear-trees as well as of raspberry-bushes leads to a decrease in the viability, and it is impossible to obtain viable plum, apricot or grape specimens after low-temperature cryopreservation with no bound water ƞс at all.

Розроблено математичну модель, що спрощує процес визначення оптимальних параметрів, які забезпечують максимальну життєздатність деконсервованих живців плодово-ягідних культур. Визначено величини мінімальної кількості внутрішньоклітинної води – ƞ1min, що мінімізують ймовірність плазмолізу і – ƞ2min утворення внутрішньоклітинного льоду з урахуванням гетерогенності біооб'єкта. Розраховано величини вільної води – Δƞ, що утворюють кристали льоду всередині клітини за кріоконсервування різних сортотипів плодово-ягідних культур. Визначено оптимальні умови зневоднення живців (температура Ti і час витримки t2, мінімальна кількість внутрішньоклітинної води – ƞmin), що забезпечують максимальну життєздатність під час їх сушіння й низькотемпературної адаптації до кріоконсервування. Індивідуальні особливості життєздатності деконсервованих живців різних порід кількісно відображено в показниках вільної води Δƞ. Максимальної життєздатності деконсервованих живців берези і чорної смородини досягнено за умови, коли внутрішньоклітинна вода знаходиться у зв'язаному, вітрифікованому стані Δƞ = 0. Розраховане Δƞ ˃ 0 для живців різних сортів яблук, груш, малини призводить до зниження життєздатності, а повна відсутність зв'язаної води – ƞс для сливи, абрикоса, винограду унеможливлює отримання життєздатних зразків після низькотемпературного кріоконсервування.