Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Культура растительной ткани представляет собой набор методов, используемых для поддержания или выращивания растительных клеток, тканей или органов в стерильных условиях на питательной культуральной среде известного состава. Он широко используется для получения клонов растений методом, известным как микроразмножение . Различные методы культивирования тканей растений могут иметь определенные преимущества по сравнению с традиционными методами размножения, в том числе:

  • Производство точных копий растений, которые дают особенно хорошие цветы, плоды или другие желательные качества.
  • Для быстрого получения зрелых растений.
  • Производство нескольких растений при отсутствии семян или необходимых опылителей для получения семян.
  • Регенерация целых растений из генетически модифицированных растительных клеток.
  • Производство растений в стерильных контейнерах, что позволяет их перемещать, что значительно снижает вероятность передачи болезней, вредителей и патогенов.
  • Выращивание растений из семян, которые в противном случае имеют очень низкие шансы на прорастание и рост, например, орхидей и непентов .
  • Для очистки определенных растений от вирусных и других инфекций и для быстрого размножения этих растений в качестве «очищенного стада» для садоводства и сельского хозяйства.

Культура тканей растений основана на том факте, что многие клетки растений обладают способностью регенерировать целое растение ( тотипотентность ). Единичные клетки, клетки растений без клеточных стенок ( протопласты ), кусочки листьев, стеблей или корней часто можно использовать для создания нового растения на питательной среде с учетом необходимых питательных веществ и гормонов растений .

Методы [ править ]

Подготовка растительной ткани для тканевой культуры выполняется в асептических условиях в воздухе, отфильтрованном HEPA, обеспечиваемом камерой с ламинарным потоком . После этого ткань выращивают в стерильных контейнерах, таких как чашки Петри или колбы, в камере выращивания с контролируемой температурой и интенсивностью света. Живые растительные материалы из окружающей среды естественным образом загрязнены на своей поверхности (а иногда и внутри) микроорганизмами , поэтому их поверхности стерилизуют в химических растворах (обычно спирте и гипохлорите натрия или кальция ) [1] перед подходящими образцами (известными как эксплантаты).) принимаются. Затем стерильные эксплантаты обычно помещают на поверхность стерильной твердой культуральной среды, но иногда их помещают непосредственно в стерильную жидкую среду, особенно когда требуются культуры суспензий клеток. Твердые и жидкие среды обычно состоят из неорганических солей плюс несколько органических питательных веществ, витаминов и гормонов растений. Твердые среды готовят из жидких сред с добавлением гелеобразующего агента, обычно очищенного агара.

Культура тканей эксплантатов картофеля in vitro

Состав среды, особенно растительные гормоны и источник азота (нитрат по сравнению с солями аммония или аминокислотами), оказывают сильное влияние на морфологию тканей, которые растут из исходного эксплантата. Например, избыток ауксина часто приводит к разрастанию корней, а избыток цитокинина может давать побеги . Баланс ауксина и цитокинина часто вызывает неорганизованный рост клеток или каллус., но морфология нароста будет зависеть от вида растения, а также от состава среды. По мере роста культур кусочки обычно отрезают и пересеивают на новую среду, чтобы обеспечить рост или изменение морфологии культуры. Навыки и опыт специалиста по культуре тканей важны для решения, какие части культивировать, а какие выбросить.

По мере прорастания побегов из культуры их можно срезать и укоренять с помощью ауксина для получения проростков, которые, когда они созреют, могут быть перенесены в почву для дальнейшего роста в теплице как обычные растения. [2]

Пути регенерации [ править ]

Культуры тканей растений выращиваются в семенном банке Министерства сельского хозяйства США , Национальном центре сохранения генетических ресурсов.

Специфические различия в регенерационном потенциале разных органов и эксплантов имеют разные объяснения. Существенные факторы включают различия в стадии клеток в клеточном цикле , доступность или способность транспортировать эндогенные регуляторы роста и метаболические возможности клеток. Наиболее часто используемые тканевые эксплантаты - это меристематические концы растений, такие как кончик стебля, кончик пазушных почек и кончик корня. Эти ткани обладают высокой скоростью деления клеток и либо концентрируют, либо производят необходимые регулирующие рост вещества, включая ауксины и цитокинины.

Эффективность регенерации побегов в культуре тканей обычно является количественным признаком, который часто варьируется между видами растений и внутри одного вида растений среди подвидов, разновидностей, культурных сортов или экотипов . Следовательно, регенерация тканевой культуры может стать сложной, особенно когда необходимо разработать множество процедур регенерации для разных генотипов одного и того же вида.

Три общих пути регенерации культуры тканей растений - это размножение из уже существующих меристем (культура побегов или узловая культура), органогенез и незиготический эмбриогенез .

Размножение побегов или узловых сегментов обычно выполняется в четыре этапа для массового производства проростков посредством вегетативного размножения in vitro, но органогенез - это распространенный метод микроразмножения, который включает регенерацию тканей придаточных органов или пазушных почек, прямо или косвенно из эксплантатов. Незиготный эмбриогенез - заслуживающий внимания путь развития, который очень сравним с таковым у зиготических эмбрионов, и это важный путь для производства сомаклональных вариантов, развития искусственных семян и синтеза метаболитов. Из-за одноклеточного происхождения незиготных зародышей они предпочтительны в нескольких системах регенерации для микроразмножения, манипуляции с плоидностью, переноса генов и производства синтетических семян. Тем не менее, регенерация тканей с помощью органогенеза также оказалось полезным для изучения регуляторных механизмов развития растений.

Выбор эксплантата [ править ]

Ткань, полученная из культивируемого растения, называется эксплантатом.

Эксплантаты могут быть взяты из многих различных частей растения, включая части побегов, листьев, стеблей, цветов, корней, отдельных недифференцированных клеток, а также из многих типов зрелых клеток, при условии, что они все еще содержат живую цитоплазму и ядра и способны де дифференцироваться. и возобновить деление клеток. Это дало начало концепции тотипотентности растительных клеток. [3] [4] Однако это не верно для всех клеток или для всех растений. [5] У многих видов эксплантаты разных органов различаются по скорости роста и регенерации, а некоторые вообще не растут. Выбор материала эксплантата также определяет, являются ли проростки, полученные с помощью культуры ткани, гаплоидными или диплоидными.. Кроме того, при использовании неподходящих эксплантов увеличивается риск микробного заражения.

Первый метод, включающий меристемы и индукцию множественных побегов, является предпочтительным методом для индустрии микроразмножения, поскольку риски сомаклональной изменчивости (генетическая изменчивость, индуцированная в культуре ткани) минимальны по сравнению с двумя другими методами. Соматический эмбриогенез - это метод, у которого есть потенциал в несколько раз выше по скорости размножения, и его можно использовать в системах жидких культур, таких как биореакторы.

Некоторые эксплантаты, такие как кончик корня , трудно изолировать, и они загрязнены почвенной микрофлорой, что становится проблематичным в процессе культивирования тканей. Определенная микрофлора почвы может образовывать тесные ассоциации с корневой системой или даже расти внутри корня. Частицы почвы, прикрепленные к корням, трудно удалить, не повредив корни, что может привести к атаке микробов. Эта ассоциированная микрофлора обычно разрастается в среде для культивирования ткани до того, как произойдет значительный рост растительной ткани.

Некоторые культивируемые ткани медленно растут. Для них будет два варианта: (i) Оптимизация питательной среды; (ii) Выращивание высокочувствительных тканей или разновидностей. [6] Некроз может испортить культивируемые ткани. Как правило, сорта растений различаются по восприимчивости к некрозу культур тканей. Таким образом, с этим можно справиться путем культивирования высокочувствительных сортов (или тканей). [6]

Воздушные (надземные) эксплантаты также богаты нежелательной микрофлорой. Однако их легче удалить из эксплантата осторожным промыванием, а оставшуюся часть обычно можно убить стерилизацией поверхности. Большая часть поверхностной микрофлоры не образует плотных ассоциаций с тканями растений . Такие ассоциации обычно можно обнаружить при визуальном осмотре в виде мозаики, обесцвечивания или локализованного некроза на поверхности эксплантата.

Альтернативой для получения незагрязненных эксплантатов является взятие эксплантов из сеянцев, выращенных в асептических условиях из семян, стерилизованных с поверхности. Твердая поверхность семян менее проницаема для проникновения агрессивных поверхностных стерилизующих агентов, таких как гипохлорит , поэтому приемлемые условия стерилизации, используемые для семян, могут быть гораздо более жесткими, чем для вегетативных тканей.

Растения, культивируемые тканью, являются клонами . Если исходное материнское растение, используемое для получения первых эксплантатов, восприимчиво к патогену или условиям окружающей среды, вся культура будет подвержена той же проблеме. И наоборот, любые положительные черты также останутся в рамках этой линии.

Приложения [ править ]

Культура тканей растений широко используется в растениеводстве, лесоводстве и садоводстве. Приложения включают:

  • Коммерческое производство растений, используемых в качестве горшечных растений, ландшафтов и цветоводов, при котором используются меристемы и культура побегов для получения большого количества идентичных особей.
  • Для сохранения редких или исчезающих видов растений. [7]
  • Селекционер может использовать культуру ткани к клеткам экрана , а не для растений выгодных символов, например гербицидом сопротивления / толерантности.
  • Масштабный рост растительных клеток в жидкой культуре в биореакторах для производства ценных соединений, таких как вторичные метаболиты растительного происхождения и рекомбинантные белки, используемые в качестве биофармацевтических препаратов . [8]
  • Для скрещивания отдаленно родственных видов путем слияния протопластов и регенерации нового гибрида .
  • Быстро изучить молекулярные основы физиологических, биохимических и репродуктивных механизмов растений, например, отбор растений, устойчивых к стрессу, in vitro. [9]
  • Для перекрестного опыления отдаленно родственных видов и затем культивирования тканей полученного эмбриона, который в противном случае обычно погиб бы (Спасение эмбрионов).
  • Для хромосом удвоения и индукции полиплоидии , [10] , например , двойные гаплоиды, тетраплоиды и другие формы полиплоидов . Обычно это достигается применением антимитотических средств, таких как колхицин или оризалин .
  • В качестве ткани для трансформации с последующим либо краткосрочным тестированием генетических конструкций, либо регенерацией трансгенных растений.
  • Определенные методы, такие как культивирование верхушек меристемы, можно использовать для получения чистого растительного материала из зараженного материала, такого как сахарный тростник [11], картофель и многие виды мягких фруктов.
  • Может быть получено производство идентичных стерильных гибридных видов.
  • Крупномасштабное производство искусственных семян посредством соматического эмбриогенеза [12]
  • Синтетические семена - соматический эмбрион инкапсулируется искусственным эндоспермом и искусственной оболочкой семян.

Лаборатории [ править ]

Хотя некоторые производители и питомники имеют свои собственные лаборатории по размножению растений методом тканевых культур, ряд независимых лабораторий предоставляют услуги по размножению на заказ. В разделе «Обмен информацией о культурах тканей растений» перечислены многие коммерческие лаборатории по культуре тканей. Поскольку культивирование тканей растений - очень трудоемкий процесс, это будет важным фактором при определении того, какие растения будут коммерчески жизнеспособными для размножения в лаборатории.

См. Также [ править ]

  • Волосатая корневая культура
  • Готлиб Хаберланд , пионер культуры тканей растений
  • Фредерик Кэмпион Стюард , пионер и поборник культуры тканей растений.
  • Среда Мурашиге и Скуга , важная среда для роста растений
  • Физиология растений

Ссылки [ править ]

Примечания

  1. ^ Сатьянараяна, BN (2007). Культура тканей растений: практики и новые экспериментальные протоколы . ИК Интернешнл. С. 106–. ISBN 978-81-89866-11-2.
  2. ^ Бходжвани, СС; Раздан, МК (1996). Культура тканей растений: теория и практика (Пересмотренная ред.). Эльзевир. ISBN 978-0-444-81623-8.
  3. ^ Василь, И.К .; Василь, В. (1972). «Тотипотентность и эмбриогенез в культурах клеток и тканей растений». In vitro . 8 (3): 117–125. DOI : 10.1007 / BF02619487 . PMID 4568172 . S2CID 20181898 .  
  4. ^ Брайан Джеймс Этвелл; Колин Г. Н. Тернбулл; Пол Э. Криедеманн (1999). Растения в действии: адаптация в природе, производительность в культивировании (1-е изд.). Архивировано из оригинального 27 марта 2018 года . Проверено 7 мая 2020 года .
  5. ^ Индра К. Васил; Тревор А. Торп (1994). Культура растительных клеток и тканей . Springer. С. 4–. ISBN 978-0-7923-2493-5.
  6. ^ a b Пазуки, Арман и Сохани, Мехди (2013). «Фенотипическая оценка каллусов, полученных из щитка, у сортов риса« Indica »» (PDF) . Acta Agriculturae Slovenica . 101 (2): 239–247. DOI : 10,2478 / БСПС 2013-0020 .
  7. ^ Мукунд Р. Шукла; А. Максвелл П. Джонс; Дж. Алан Салливан; Чунжао Лю; Сьюзан Гослинг; Правин К. Саксена (апрель 2012 г.). «Сохранение американского ильма ( Ulmus americana ) in vitro : потенциальная роль метаболизма ауксина в устойчивом росте растений» . Канадский журнал исследований леса . 42 (4): 686–697. DOI : 10.1139 / x2012-022 .
  8. ^ Георгиев, Милен I .; Вебер, Йост; Макюк, Александр (2009). «Биопереработка культур клеток растений для массового производства целевых соединений». Прикладная микробиология и биотехнология . 83 (5): 809–23. DOI : 10.1007 / s00253-009-2049-х . PMID 19488748 . S2CID 30677496 .  
  9. ^ Манодж К. Рай; Раджвант К. Калия; Рохтас Сингх; Ману П. Гангола; АК Дхаван (апрель 2011 г.). «Создание устойчивых к стрессу растений посредством отбора in vitro - обзор последних достижений». Экологическая и экспериментальная ботаника . 71 (1): 89–98. DOI : 10.1016 / j.envexpbot.2010.10.021 .
  10. ^ Айна, О; Quesenberry, K .; Галло, М. (2012). «In vitro индукция тетраплоидов у Arachis paraguariensis ». Растительные клетки, ткани и культура органов . 111 (2): 231–238. DOI : 10.1007 / s11240-012-0191-0 . S2CID 9211804 . 
  11. ^ Павар, К. Р., Вагмаре, С. Г., Табе, Р., Патил, А. и Амбаване, А. Р. 2017. Регенерация Saccharum officinarum var. In vitro . Co 92005 с использованием эксплантата кончика побега . Международный журнал науки и природы 8 (1): 154-157.
  12. ^ Waghmare, С.Г., Павар, КР и Табе, Р. 2017. соматического эмбриогенеза в Клубничный (Fragaria ananassa) вар. Камароза . Глобальный журнал биологии и биотехнологии 6 (2): 309 - 313.

Источники

  • Джордж, Эдвин Ф .; Холл, Майкл А .; Де Клерк, Герт-Ян, ред. (2008). Размножение растений тканевой культурой . 1. Предыстория (3-е изд.). Springer. ISBN 978-1-4020-5004-6.
  • Yadav, R .; Arora, P .; Kumar, D .; Катяль, Д .; Дилбаги, Н .; Чаудхури, А. (2009). «Высокочастотная прямая регенерация растений из листьев, междоузлий и корневых сегментов хлопкового дерева восточного ( Populus deltoides )». Отчеты по биотехнологии растений . 3 (3): 175–182. DOI : 10.1007 / s11816-009-0088-5 . S2CID  42796629 .
  • Сингх, СК; Шривастава, С. (2006). Культура тканей растений . Campus Book International. ISBN 978-81-8030-123-0.