Соматический эмбриогенез
Соматический эмбриогенез — искусственный процесс, при котором растение или эмбрион происходит из одной соматической клетки . [1] Соматические зародыши образуются из растительных клеток, в норме не участвующих в развитии зародышей, т. е. обычной растительной ткани. Вокруг соматического зародыша не ни эндосперма образуется , ни семенной кожуры.
Клетки, полученные из компетентной исходной ткани, культивируются с образованием недифференцированной массы клеток, называемой каллусом . Регуляторами роста растений в среде для культуры тканей можно манипулировать, чтобы вызвать образование каллуса, а затем изменять, чтобы побудить эмбрионы образовывать каллус. Соотношение различных регуляторов роста растений, необходимых для индукции образования каллуса или эмбриона, варьируется в зависимости от типа растения. [2] Соматические эмбрионы в основном производят in vitro и для лабораторных целей с использованием твердых или жидких питательных сред , содержащих регуляторы роста растений (РГР). Основными используемыми PGR являются ауксины , но они могут содержать цитокинин в меньшем количестве. [3] Побеги и корни монополярны, а соматические зародыши - биполярны, что позволяет им формировать целое растение без культивирования на нескольких типах сред. Соматический эмбриогенез послужил моделью для понимания физиологических и биохимических событий, происходящих в процессе развития растений, а также компонентом биотехнологического прогресса. [4] Первое документирование соматического эмбриогенеза было сделано Steward et al. в 1958 году и Рейнерт в 1959 году с суспензионными культурами клеток моркови. [5] [6]
Прямой и непрямой эмбриогенез.
[ редактировать ]Описано, что соматический эмбриогенез происходит двумя способами: прямо или косвенно. [7]
Прямой эмбриогенез
[ редактировать ]происходит, когда эмбрионы запускаются непосредственно из ткани эксплантата, создавая идентичный клон. Другими словами, без образования каллуса из эксплантата, то есть прямой эмбриогенез.
Непрямой эмбриогенез
[ редактировать ]возникает, когда эксплантаты производят недифференцированные или частично дифференцированные клетки (часто называемые каллусами), которые затем сохраняются или дифференцируются в ткани растения, такие как лист, стебель или корни. 2,4-Дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D) , 6-бензиламинопурин (BAP) и гиббереллиновая кислота (GA) использовались для развития непрямых соматических зародышей клубники ( Fragaria ananassa ). [8]
Регенерация растений путем соматического эмбриогенеза
[ редактировать ]Регенерация растений посредством соматического эмбриогенеза происходит в пять этапов: инициация эмбриогенных культур, пролиферация эмбриогенных культур, преждевременное созревание соматических зародышей, созревание соматических зародышей и развитие растений на неспецифических средах.Инициация и пролиферация происходят на среде, богатой ауксином, который индуцирует дифференцировку локализованных меристематических клеток . 2,4 - Обычно используемый ауксин представляет собой D . После переноса в среду с низким содержанием ауксина или без него эти клетки могут затем развиться в зрелые эмбрионы . Прорастание соматического зародыша может произойти только тогда, когда он достаточно зрел, чтобы иметь функциональные верхушки корня и побега . [3]
Факторы, влияющие
[ редактировать ]Факторы и механизмы, контролирующие дифференцировку клеток соматических эмбрионов, относительно неоднозначны. Было показано, что некоторые соединения, выделяемые культурами тканей растений и обнаруженные в культуральных средах, необходимы для координации деления клеток и морфологических изменений. [9] Эти соединения были идентифицированы Chung et al. [10] в виде различных полисахаридов , аминокислот , регуляторов роста , витаминов , низкомолекулярных соединений и полипептидов. Было обнаружено несколько сигнальных молекул, которые, как известно, влияют или контролируют образование соматических эмбрионов, и включают внеклеточные белки, белки арабиногалактана и липохитоолигосахариды. Температура и освещение также могут влиять на созревание соматического эмбриона.
Приложения
[ редактировать ]Приложения этого процесса включают: клональное размножение генетически однородного растительного материала; уничтожение вирусов ; предоставление исходной ткани для генетической трансформации ; образование целых растений из отдельных клеток, называемых протопластами ; развитие технологии синтетических семян. [1]
Использование соматического эмбриогенеза
[ редактировать ]- растений Трансформации [11]
- Массовое распространение [12]
Пример, связанный с лесным хозяйством
[ редактировать ]Развитие методов соматического эмбриогенеза привело к исследованию запасных белков семян (SSP) древесных растений древесных пород, имеющих промысловое значение, т. е. главным образом голосеменных , включая ель белую . В этой области исследований SSP используются в качестве маркеров для определения эмбриогенного потенциала и способности эмбриогенной системы производить соматический эмбрион, биохимически сходный с его зиготическим аналогом (Flinn et al. 1991, Beardmore et al. 1997). [13] [14]
Гроссникль и др. (1992) [15] внутренней ели сравнили саженцы с саженцами во время развития питомника и в рамках программы оценки качества поголовья непосредственно перед высадкой в поле. Высота побегов сеянцев, диаметр корневой шейки и сухая масса увеличивались у сеянцев с большей скоростью, чем у эмблингов, в первой половине первого вегетационного периода, но в дальнейшем рост побегов был одинаковым у всех растений. К концу вегетации сеянцы были на 70% выше ростков, имели больший диаметр корневой шейки и большую сухую массу побегов. Сухая масса корня увеличивалась быстрее у сеянцев, чем у эмблей в начале вегетационного периода.
Во время осенней акклиматизации характер увеличения индекса выхода из состояния покоя и повышения устойчивости к заморозкам был одинаковым как у сеянцев, так и у эмблей. Способность к росту корней уменьшалась, а затем увеличивалась во время осенней акклиматизации, причем увеличение было более значительным у сеянцев.
Оценка качества поголовья непосредственно перед посадкой показала, что: саженцы имели более высокую эффективность использования воды при уменьшении потенциала воды в предрассветных побегах по сравнению с сеянцами; саженцы и закладки имели одинаковую способность к движению воды как при высоких, так и при низких корневых температурах; чистый фотосинтез и проводимость иглы при низких температурах корня были выше у сеянцев, чем у засаженных растений; и у сеянцев рост корней был выше, чем у эмблей при температуре корня 22 °C, но рост корней среди всех растений был медленным при температуре корня 7,5 °C.
Рост и выживаемость сеянцев и саженцев внутренней ели 313B Styroblock после высадки на участок лесовосстановления были определены Grossnickle and Major (1992). [16] Как для саженцев, так и для эмблей, осмотический потенциал при насыщении (ψ sat ) и точка потери тургора (ψ Tip ) увеличились с минимума -1,82 и -2,22 МПа, соответственно, непосредственно перед посадкой до сезонного максимума -1,09 и -1,21. МПа соответственно в период активного удлинения побега. В дальнейшем в конце вегетационного периода показатели всходов и закладок (ψ sat ) и (ψ Tip ) снизились до -2,00 и -2,45 МПа соответственно, что совпало с устойчивым снижением температуры на участке и прекращением роста в высоту. В целом, сеянцы и эмблики имели схожие значения ψ sat и ψ Tip в течение вегетационного периода, а также имели схожие сдвиги в сезонных закономерностях максимального модуля упругости, симпалстической фракции и относительного содержания воды в точке потери тургора .
Гроссникл и Мейджор (1992) [16] обнаружили, что однолетние и текущие хвои как сеянцев, так и эмблингов имели одинаковое снижение проводимости игл с увеличением дефицита давления пара . Модели поверхности реагирования хвои текущего года на чистый фотосинтез (P n на 15% выше ), реакцию на дефицит давления паров (VPD) и фотосинтетически активную радиацию (PAR) показали, что эмблиги имели P n при VPD менее 3,0 кПа и PAR более 1000. мкмоль м −2 с −1 . Хвоя однолетних и текущего года сеянцев и саженцев показала схожую картину эффективности использования воды.
Скорость роста побегов у сеянцев и заготовок в течение вегетационного периода также была схожей. Сеянцы имели более крупную побеговую систему как на момент посадки, так и в конце вегетации. У сеянцев также было большее развитие корней, чем у эмблингов, в течение вегетационного периода, но соотношение корней и побегов для двух типов подвоя было одинаковым в конце вегетационного периода, когда показатели выживаемости сеянцев и эмблингов составляли 96% и 99% соответственно.
Отслеживание и карты судьбы
[ редактировать ]Понимание формирования соматического эмбриона посредством установления морфологических и молекулярных маркеров важно для построения карты судьбы. Карта судьбы — это фундамент, на котором можно строить дальнейшие исследования и эксперименты. Существует два метода построения карты судьбы: синхронное деление клеток и покадровое отслеживание. Последний обычно работает более последовательно из-за химических веществ, изменяющих клеточный цикл, и центрифугирования, участвующего в синхронном делении клеток. [17]
покрытосеменные растения
[ редактировать ]Развитие эмбриона у покрытосеменных растений делится на несколько этапов. Зигота делится асимметрично, образуя небольшую апикальную клетку и большую базальную клетку. Организационная структура формируется на глобулярной стадии, а затем зародыш переходит на семядольную стадию. [18] Развитие эмбрионов у однодольных и двудольных различается. Двудольные проходят шаровидную, сердцевидную и торпедную стадии, а однодольные проходят шаровидную, щитковую и колеоптилярную стадии. [19]
Многие системы культивирования индуцируют и поддерживают соматический эмбриогенез путем постоянного воздействия 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты . абсцизовая кислота Сообщалось, что индуцирует соматический эмбриогенез у проростков. После образования каллуса культивирование на среде с низким содержанием ауксина или гормонов будет способствовать росту соматических эмбрионов и образованию корней. У однодольных эмбриогенная способность обычно ограничивается тканями эмбриогенного или меристематического происхождения. Соматические клетки однодольных быстро дифференцируются, а затем теряют митотическую и морфогенную способность. Различия в чувствительности к ауксину при росте эмбриогенного каллуса между разными генотипами одного и того же вида показывают, насколько вариабельными могут быть ответы на ауксин. [20]
Морковь Daucus carota была первым и наиболее изученным видом с точки зрения путей развития и молекулярных механизмов. [17] Покадровое отслеживание Toonen et al. (1994) показали, что морфология компетентных клеток может варьироваться в зависимости от формы и плотности цитоплазмы. В эмбриональной суспензии идентифицировали пять типов клеток: сферические, богатые цитоплазмой, сферические вакуолизированные, овально-вакуолизированные, удлиненно-вакуолизированные и клетки неправильной формы. Каждый тип клеток размножается определенной геометрической симметрией. Они развились в симметричные, асимметричные и аберрантные кластеры клеток, которые в конечном итоге сформировали эмбрионы с разной частотой. [21] Это указывает на то, что организованная полярность роста не всегда существует в соматическом эмбриогенезе. [17]
Голосеменные растения
[ редактировать ]Развитие эмбриона у голосеменных растений происходит в три фазы. Проэмбриогенез включает все стадии, предшествующие элонгации суспензора . Ранний эмбриогенез включает все стадии после суспензорной элонгации, но до развития корневой меристемы. Поздний эмбриогенез включает развитие меристем корней и побегов. [18] Промежуточное отслеживание ели европейской Picea abies показало, что ни одиночные богатые цитоплазмой клетки, ни вакуолизированные клетки не развились в эмбрионы. Проэмбриогенные массы (ПЭМ), промежуточные между неорганизованными клетками и эмбрионом, состоящим из богатых цитоплазмой клеток рядом с вакуолизированной клеткой, стимулируются ауксином и цитокинином . Постепенное удаление ауксина и цитокинина и введение абсцизовой кислоты (АБК) позволит сформироваться эмбриону. [17] Рассматривается возможность использования соматического эмбриогенеза для массового производства вегетативно размножаемых клонов хвойных и криоконсервации зародышевой плазмы . Однако использование этой технологии для лесовосстановления и размножения хвойных деревьев находится в зачаточном состоянии. [22] [23]
См. также
[ редактировать ]- Эмбриогенез растений
- Каллус (клеточная биология)
- Культура тканей растений
- Растительный гормон
- Спасение эмбрионов
- Гипергидрия
- Мурасиге и Скуг средний
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Саху, Джиоти Пракаш (11 июня 2018 г.). «Органогенез и соматический эмбриогенез» . дои : 10.13140/rg.2.2.26278.57928 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ http://www.accessexcellence.org/LC/ST/st2bgplant.html Культура тканей растений
- ^ Перейти обратно: а б Э. Ф. Джордж и др. (ред.), Размножение растений тканевой культурой, 3-е издание, 335-354.
- ^ Кирос-Фигероа, Ф.Р., Рохас-Эррера, Р., Галаз-Авалос, Р.М. и Лойола-Варгас, В.М. 2006. Производство эмбрионов посредством соматического эмбриогенеза можно использовать для изучения дифференцировки клеток у растений. Растительная клетка Тисс. Орг. Культ. 86: 285–301.
- ^ Стюард, ФК, Мейпс, Миссури, и Смлт, Дж. (1958). Рост и организованное развитие культивируемых клеток. I. Рост и деление свободно подвешенных клеток. Являюсь. Дж. Бот. 45, 693-703.
- ^ Рейнерт Дж (1959) О контроле морфогенеза и индукции адвентивных эмбрионов в культурах тканей моркови. Планта 53: 318–333
- ^ Шарп и др. (1980). В: Обзоры садоводства, Том. 2. (Яник Дж., ред.). AVI Publishing Co, Вестпорт, Коннектикут, США, с. 268.
- ^ Вагмаре, С.Г., Павар, К.Р. и Табе, Р. 2017. Соматический эмбриогенез клубники (Fragaria ananassa) var. Камароза. Глобальный журнал бионауки и биотехнологии 6 (2): 309–313.
- ^ Уоррен, Г.С., Фаулер, М.В. 1981. Физиологические взаимодействия на начальных стадиях эмбриогенеза в культурах Daucus carota L. New Phytol 87:481-486.
- ^ Чунг, В., Педерсен, Х., Чин, К.К. 1992. Повышенное производство соматических эмбрионов с помощью кондиционированной среды в культурах суспензии клеток Daucus carota. Biotechnol Lett 14:837-840.
- ^ Клэпхэм; и др. (2000). «Перенос генов путем бомбардировки частицами эмбриогенных культур Picea abies и получение трансгенных проростков». Скандинавский журнал лесных исследований . 15 (2): 151–160. дои : 10.1080/028275800750014957 . S2CID 84397445 .
- ^ Хименес В.М., Гевара Э., Эррера Дж. и Бангерт Ф. 2001. Уровни эндогенных гормонов в привычном нуцеллярном каллюсе цитрусовых на начальных стадиях регенерации. Отчет о растительных клетках 20: 92–100.
- ^ Флинн, Б.С.; Робертс, доктор медицинских наук; Уэбб, DT; Саттон, Британская Колумбия, 1991. Изменения запасных белков во время зиготического эмбриогенеза у внутренней ели. Физиол дерева. 8:71–81. (Цит. по Beardmore et al., 1997).
- ^ Бердмор, TL; Ветцель, С.; Риган, С.М. 1997. Запасные белки семян тополя. Глава. 17, с. 131–142 в Клопфенштайне, Северная Каролина; Чун, Ю.В.; Ким, MS; Ахуджа, MR (ред.), Диллон, MC; Карман, Р.С.; Эскью, Л.Г. (технические ред.) 1997. Микроразмножение, генная инженерия и молекулярная биология Populus . Министерство сельского хозяйства США, Для. серв., Рокки Маунтин Рез. Штат, Форт-Коллинз, штат Колорадо, генерал-технолог. Реп. RM-GTR-297.
- ^ Гроссникл, Южная Каролина; Робертс, доктор медицинских наук; Майор, Дж. Э.; Фолк, РС; Вебстер, ФБ; Саттон, BCS 1992. Интеграция соматического эмбриогенеза в оперативное лесное хозяйство: сравнение внутренних саженцев ели и саженцев во время производства подвойа 1+0. п. 106–113 в Лэндисе, Т.Д. (Технический координатор). Учеб. Ассоциация межгорных лесных питомников, август 1991 г., Парк-Сити, Юта. Министерство сельского хозяйства США, Для. Серв., Роки Маунт. Для. Диапазон Эксп. Штат, Форт-Коллинз, штат Колорадо, генерал-технолог. Реп.РМ-211.
- ^ Перейти обратно: а б Гроссникл, Южная Каролина; Major, JE 1992. Саженцы внутренней ели по сравнению с саженцами, полученными в результате соматического эмбриогенеза. 2. Физиологическая реакция и морфологическое развитие на участке лесовосстановления. п. 98 (аннотация) в Коломбо, SJ; Хоган, Г.; Уирн, В. (Составители и ред.), Proc. 12-я Северная Америка, Фор. Биол. Семинар: Роль физиологии и генетики в исследовании и мониторинге лесных экосистем, Sault Ste. Мари ОН, август 1992 г. Онт. Мин. Нат. Рез., Онт. Для. Рез. инстит., и для. Кан., Онтарио. Область.
- ^ Перейти обратно: а б с д Ян, Сиан и Чжан, Сяньлун (2010) «Регуляция соматического эмбриогенеза у высших растений», Критические обзоры в науках о растениях, 29: 1, 36–57.
- ^ Перейти обратно: а б Фон Арнольд С., Сабала И., Божков П., Дьячок Дж. и Филонова Л. (2002)Пути развития соматического эмбриогенеза. Растительная клетка Tiss Org. Культ. 69: 233–249
- ^ Хименес В.М., Томас С. (2005) Участие растительных гормонов в детерминации и развитии соматического эмбриогенеза. в: Муджиб А., Шамай Дж. (ред.) Соматический эмбриогенез. Шпрингер, Берлин, стр. 103–118.
- ^ Фехер, Аттила. Почему соматические клетки растений начинают образовывать зародыши? В: Муджид, Абдул и Самадж, Йозеф. ред. Соматический эмбриогенез. Монографии о растительных клетках, Springer; Берлин/Гейдельберг, 2005, вып. 2, с. 85-101.
- ^ Тунен, М.А., Хендрикс, Т., Шмидт, Э.Д.Л., Верховен, Х.А., ван Каммен, А. и Де Врис, С.К. 1994. Описание соматических, образующих эмбрионы одиночных клеток в суспензионных культурах моркови с использованием видеослежения за клетками. Планта 194: 565–572.
- ^ Хэггман Х.; Вуоску Дж.; Сарджала Т.; Йокела А.; Ниеми К. Соматический эмбриогенез видов сосны: от функциональной геномики к плантационному лесному хозяйству. Копать. Растительная клетка моногр. 2: 119–140; 2006.
- ^ Маллин; Ли, ред. (2013). ЛУЧШАЯ ПРАКТИКА РАЗВЕДКИ ДЕРЕВО В ЕВРОПЕ . Скогфорск. ISBN 978-91-977649-6-4 .