Микроразмножение

Микроразмножение или культура тканей — это практика быстрого размножения растительного материала для получения множества растений- потомков с использованием современных культуры тканей растений . методов ^[1]

Микроразмножение используется для размножения самых разных растений, например, тех, которые были генетически модифицированы или выведены традиционными методами селекции растений . Его также используют для получения достаточного количества ростков для посадки от бессемянных растений, растений, которые плохо реагируют на вегетативное размножение или где микроразмножение является более дешевым способом размножения (например, орхидеи) . ^[2]). Корнеллского университета Ботаник Фредерик Кэмпион Стюард открыл и стал пионером в области микроразмножения и культуры тканей растений в конце 1950-х - начале 1960-х годов. ^[3]

Шаги

Короче говоря, этапы микроразмножения можно разделить на четыре этапа:

Выбор материнского растения
Умножение
Укоренение и акклиматизация
Пересадите новое растение в почву

Выбор материнского растения

Микроразмножение начинается с выбора растительного материала для размножения. Растительные ткани удаляют из интактного растения в стерильном состоянии. Чистые исходные материалы, свободные от вирусов и грибков, важны для производства самых здоровых растений. После того, как растительный материал выбран для культуры, начинается сбор эксплантатов, который зависит от типа используемой ткани, включая кончики стеблей, пыльники, лепестки, пыльцу и другие ткани растения. Затем материал эксплантата подвергается поверхностной стерилизации, обычно путем многократной промывки отбеливателем и спиртом, и, наконец, промывается стерилизованной водой. Эту небольшую часть растительной ткани, иногда всего одну клетку, помещают в питательную среду , обычно содержащую макро- и микроэлементы, воду, сахарозу в качестве источника энергии и один или несколько регуляторов роста растений (растительные гормоны ). Обычно среду загущают гелеобразующим агентом, например агаром , для создания геля, который поддерживает эксплантат во время роста. Некоторые растения легко выращивать на простых средах, но другим для успешного роста требуются более сложные среды; завод ткань растет и дифференцируется в новые ткани в зависимости от среды. Например, среды, содержащие цитокинин, используются для создания разветвленных побегов из почек растений.

Умножение

Размножение – это взятие образцов тканей, полученных на первом этапе, и увеличение их количества. После успешного внедрения и роста растительной ткани за стадией укоренения следует размножение. Посредством повторяющихся циклов этого процесса количество одного образца эксплантата может быть увеличено с одного до сотен и тысяч растений. В зависимости от типа выращиваемой ткани размножение может включать разные методы и среды. Если выращенный растительный материал представляет собой каллусную ткань, его можно поместить в блендер, разрезать на более мелкие кусочки и повторно культивировать на питательной среде того же типа, чтобы вырастить больше каллусной ткани. Если ткань выращивается в виде небольших растений, называемых проростками, часто добавляются гормоны, которые заставляют проростки давать множество маленьких побегов. После образования множественных побегов их переводят на среду для укоренения с высоким соотношением ауксина/цитокинина. После развития корней всходы можно использовать для закаливания.

Предтрансплантационный

Этот этап включает обработку полученных ростков/побегов, чтобы стимулировать рост корней и «закаливание».Его проводят in vitro или в стерильной среде «пробирки».

«Закаливание» относится к подготовке растений к естественной среде роста. До этого этапа ростки выращивались в «идеальных» условиях, призванных способствовать быстрому росту. Из-за контролируемого характера созревания проростки часто не имеют полностью функционального кожного покрова. Это делает их очень восприимчивыми к болезням и неэффективным в использовании воды и энергии. Условия in vitro характеризуются высокой влажностью, и растения, выращенные в таких условиях, часто не образуют рабочей кутикулы и устьиц , предохраняющих растение от высыхания. Выведенным из культуры проросткам требуется время, чтобы приспособиться к более естественным условиям окружающей среды. Закаливание обычно включает в себя медленный перевод всходов из среды с высокой влажностью, слабым освещением и теплом в среду, которая считается нормальной средой роста для рассматриваемого вида.

Трансфер из культуры

На заключительном этапе микроразмножения растений проростки извлекают из растительной среды и переносят в почву или (чаще) горшечный компост для дальнейшего роста обычными методами.

Этот этап часто совмещают с «предтрансплантационным» этапом.

Методы

Существует множество методов микроразмножения растений.

Меристемная культура

В меристемной культуре меристему и несколько прилегающих к ней зачатков листьев помещают в подходящую среду для выращивания. где они заставляют образовывать новую меристему. Эти меристемы затем разделяются и в дальнейшем растут и размножаются. Для получения проростков меристемы извлекают из среды пролиферации и помещают в среду регенерации. Когда через несколько недель появится саженец с удлиненными корнями, его можно переносить в почву. Этим методом можно получить растение, свободное от болезней. Результаты экспериментов также позволяют предположить, что этот метод можно успешно использовать для быстрого размножения различных видов растений, например кокоса , ^[4] клубника , ^[5] сахарный тростник . ^[6]

Каллусная культура

Каллус . представляет собой массу недифференцированных паренхиматозных клеток Когда живую растительную ткань помещают в искусственную среду выращивания с другими благоприятными условиями, образуется каллус. Рост каллуса варьируется в зависимости от гомогенных уровней ауксина и цитокинина, и им можно управлять путем эндогенной подачи этих регуляторов роста в культуральную среду. Рост каллуса и его органогенез или эмбриогенез можно разделить на три различные стадии.

Стадия I: быстрое образование каллюса после помещения эксплантов в культуральную среду.
Стадия II: Каллюс переносят в другую среду, содержащую регуляторы роста, для индукции адвентивных органов.
Стадия III: Новое растение постепенно подвергается воздействию условий окружающей среды.

Эмбриональная культура

При культивировании эмбрионов эмбрион вырезают и помещают в культуральную среду с соответствующим питательным веществом в асептических условиях. Для быстрого и оптимального роста всходов их переносят в почву. Это особенно важно для получения межвидовых и межродовых гибридов и преодоления зародыша.

Протопластная культура

В культуре протопластов растительную клетку можно выделить с помощью ферментов, разрушающих стенки, и вырастить в подходящей культуральной среде в контролируемых условиях для регенерации проростков. В подходящих условиях у протопласта развивается клеточная стенка, за которой следует увеличение клеточного деления и дифференцировки, и он превращается в новое растение. Протопласт сначала культивируют в жидкой среде при температуре от 25 до 28°С с интенсивностью света от 100 до 500 люкс или в темноте и после значительного клеточного деления переносят в твердую среду, благоприятную для морфогенеза во многих садовых культурах, которые хорошо реагируют на культуру протопластов. .

Преимущества

Микроразмножение имеет ряд преимуществ перед традиционными методами размножения растений:

Основным преимуществом микроразмножения является получение множества растений, являющихся клонами друг друга.
Микроразмножение можно использовать для получения растений, свободных от болезней.
Он может иметь чрезвычайно высокую плодовитость , производя тысячи отростков, в то время как традиционные методы могут дать лишь часть этого числа.
Это единственный жизнеспособный метод регенерации генетически модифицированных клеток или клеток после слияния протопластов .
Он полезен при размножении растений, которые дают семена в неэкономичных количествах, или когда растения стерильны и не дают жизнеспособных семян, или когда семена невозможно хранить (см. непокорные семена ).
Микроразмножение часто дает более крепкие растения, что приводит к ускорению роста по сравнению с аналогичными растениями, полученными традиционными методами, такими как семена или черенки.
Некоторые растения с очень мелкими семенами, в том числе большинство орхидей, надежнее всего выращивать из семян в стерильной культуре.
На квадратный метр можно вырастить большее количество растений, а размноженные семена можно хранить дольше и на меньшей площади.

Недостатки

Микроразмножение не всегда является идеальным средством размножения растений. К условиям, ограничивающим его использование, относятся:

Затраты на оплату труда могут составлять 50–69% эксплуатационных затрат. ^[7]
Все растения, полученные путем микроразмножения, представляют собой генетически идентичные клоны , что приводит к недостаточной общей устойчивости к болезням, поскольку все растения-потомки могут быть уязвимы к одним и тем же инфекциям.
Образец зараженного растения может дать зараженное потомство. Это редкость, поскольку исходные растения тщательно проверяются и проверяются, чтобы предотвратить культивирование растений, зараженных вирусом или грибком.
Не все растения можно успешно культивировать в тканях, часто потому, что подходящая среда для роста неизвестна или растения производят вторичные метаболические химические вещества, которые замедляют рост или убивают эксплантат.
Иногда растения или сорта не возвращаются к типу после культивирования тканей. Это часто зависит от типа эксплантационного материала, используемого на стадии инициации, или от возраста клеток или линии размножения.
Некоторые растения очень сложно обеззаразить от грибковых организмов.

Основным ограничением использования микроразмножения для многих растений является стоимость производства; для многих растений использование семян, которые обычно не подвержены болезням и производятся в больших количествах, позволяет легко получить растения (см. «ортодоксальные семена ») в больших количествах с меньшими затратами. По этой причине многие селекционеры не используют микроразмножение, поскольку его стоимость непомерно высока. Другие селекционеры используют его для получения маточных растений, которые затем используются для размножения семенами.

Механизация процесса могла бы снизить затраты на рабочую силу, но ее оказалось трудно достичь, несмотря на активные попытки разработать технологические решения.

Приложения

Микроразмножение облегчает выращивание, хранение и обслуживание большого количества растений на небольших площадях, что делает его экономически эффективным процессом. Микроразмножение используется для хранения зародышевой плазмы и защиты исчезающих видов. Микроразмножение широко используется в декоративных растениях для эффективного производства больших количеств однородных, свободных от болезней экземпляров, что значительно расширяет возможности коммерческого садоводства. ^[8] Среди видов, широко размножаемых in vitro, можно отметить хризантему. ^[9], дамасская роза ^[10], Сенполия ионанта ^[11], Замиокулькас замиилистный ^[12] и кровоточащее сердце ^[13]. Микроразмножение также можно использовать с фруктовыми деревьями, например, Pyrus communis . ^[14] Чтобы сократить затраты, натуральные растительные экстракты можно использовать вместо традиционных регуляторов роста растений. ^[15]

Ссылки

^ «Микроразмножение — определения из Dictionary.com» . словарь.reference.com . Проверено 17 марта 2008 г.
^ Чух, Самира; Гуха, Сатьякам; Рао, И. Уша (3 ноября 2009 г.). «Микроразмножение орхидей: обзор потенциала различных эксплантов» . Наука садоводства . 122 (4): 507–520. doi : 10.1016/j.scienta.2009.07.016 . ISSN 0304-4238 .
^ «Фредерик Кэмпион Стюард» (PDF) . Мемориальное заявление факультета Корнелльского университета. Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2012 г.
^ Вильмс, Ханнес; Де Бьевр, Дрис; Лонгин, Кевин; Свеннен, Рони; Ри, Джухи; Панис, Барт (15 сентября 2021 г.). «Разработка первого протокола размножения подмышечных побегов кокосовых пальм in vitro» . Научные отчеты . 11 (1): 18367. Бибкод : 2021NatSR..1118367W . дои : 10.1038/s41598-021-97718-1 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 8443624 . ПМИД 34526563 .
^ Наинг, Аунг Хтай; Ким, Си Хён; Чанг, Ми Ён; Пак, Сун Ки; Ким, Чан Киль (13 апреля 2019 г.). «Способ размножения in vitro для получения морфологически и генетически стабильных растений различных сортов клубники» . Растительные методы . 15 (1): 36. дои : 10.1186/s13007-019-0421-0 . ISSN 1746-4811 . ПМК 6461810 . ПМИД 31011361 .
^ Салохе, Шубханги (01 июня 2021 г.). «Разработка эффективного протокола производства здорового семенного тростника сахарного тростника посредством культуры меристемы» . Журнал сельскохозяйственных и пищевых исследований . 4 : 100126. doi : 10.1016/j.jafr.2021.100126 . ISSN 2666-1543 . S2CID 233618279 .
^ Maciej Hempel, М. Хемпел & М. Хемпел (1986) Some EconomicalAspects of Commercial Micropropagation, Biotechnology & Bioindustry, 1:5, 22-26, DOI:10.1080/02052067.1986.10824247
^ Кулус Д., 2015. Отдельные аспекты микроразмножения декоративных растений в Польше и во всем мире. Науки Пржиродниче 4(10): 10-25. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.5086.8082
^ Милер Н., Тимощук А., Реверс М., Кулус Д., 2023. Регенерация хризантемы in vitro из завязей и семяпочек, обработанных термическими и химическими стимулами: морфогенетические и цитогенетические эффекты. Сельское хозяйство 13(11): 2069. https://doi.org/10.3390/agricultural13112069.
^ Кавиани Б., Дельталаб Б., Кулус Д., Ходдамзаде А.А., Роке-Борда, Калифорния, 2024. Размножение побегов in vitro и укоренение генотипов дамасской розы «Кашан» и «Херви Азербайджан» (Rosa damascena Mill.) для косметических и декоративных целей. приложения. Растения 13(10): 1364. https://doi.org/10.3390/plants13101364.
^ Дельталаб Б., Кавиани Б., Кулус Д., Саджади С.А. 2024. Оптимизация размножения побегов и индукции корней у Saintpaulia ionantha H. Wendl. использование тиамина (витамина B1) и IBA: многообещающий подход для экономически важного размножения африканской фиалки. Культура тканей и органов растительных клеток 156: 74. https://doi.org/10.1007/s11240-024-02698-5.
^ Поурхассан А., Кавиани Б., Кулус Д., Милер Н., Негахдар Н.А., 2023. Полный протокол микроразмножения чернолистного Zamioculcas zamiifolia (Lodd.) Engl. 'Вниз'. Horticulturae 9(4): 422. https://doi.org/10.3390/horticulturae9040422.
^ Кулус Д., 2020. Влияние регуляторов роста на развитие, качество и физиологическое состояние размножаемого in vitro Lamprocapnos spectabilis (L.) Fukuhara. Клеточная биология и биология развития in vitro – Plant 56(4): 447-457. https://doi.org/10.1007/s11627-020-10064-1
^ Кавиани Б., Барандан А., Тимощук А., Кулус Д., 2023. Оптимизация размножения in vitro подвоя груши (Pyrus communis L.) 'Pyrodwarf®(S)'. Агрономия 13(1): 268. https://doi.org/10.3390/agronomy13010268.
^ Кулус Д., Милер Н., 2021. Применение растительных экстрактов при микроразмножении и криоконсервации кровоточащего сердца: декоративно-лекарственные виды растений. Сельское хозяйство 11(6): 542. https://doi.org/10.3390/agricultural11060542.

[1] «Микроразмножение — определения из Dictionary.com» . словарь.reference.com . Проверено 17 марта 2008 г.

[2] Чух, Самира; Гуха, Сатьякам; Рао, И. Уша (3 ноября 2009 г.). «Микроразмножение орхидей: обзор потенциала различных эксплантов» . Наука садоводства . 122 (4): 507–520. doi : 10.1016/j.scienta.2009.07.016 . ISSN 0304-4238 .

[3] «Фредерик Кэмпион Стюард» (PDF) . Мемориальное заявление факультета Корнелльского университета. Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2012 г.

[4] Вильмс, Ханнес; Де Бьевр, Дрис; Лонгин, Кевин; Свеннен, Рони; Ри, Джухи; Панис, Барт (15 сентября 2021 г.). «Разработка первого протокола размножения подмышечных побегов кокосовых пальм in vitro» . Научные отчеты . 11 (1): 18367. Бибкод : 2021NatSR..1118367W . дои : 10.1038/s41598-021-97718-1 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 8443624 . ПМИД 34526563 .

[5] Наинг, Аунг Хтай; Ким, Си Хён; Чанг, Ми Ён; Пак, Сун Ки; Ким, Чан Киль (13 апреля 2019 г.). «Способ размножения in vitro для получения морфологически и генетически стабильных растений различных сортов клубники» . Растительные методы . 15 (1): 36. дои : 10.1186/s13007-019-0421-0 . ISSN 1746-4811 . ПМК 6461810 . ПМИД 31011361 .

[6] Салохе, Шубханги (01 июня 2021 г.). «Разработка эффективного протокола производства здорового семенного тростника сахарного тростника посредством культуры меристемы» . Журнал сельскохозяйственных и пищевых исследований . 4 : 100126. doi : 10.1016/j.jafr.2021.100126 . ISSN 2666-1543 . S2CID 233618279 .

[7] Maciej Hempel, М. Хемпел & М. Хемпел (1986) Some EconomicalAspects of Commercial Micropropagation, Biotechnology & Bioindustry, 1:5, 22-26, DOI:10.1080/02052067.1986.10824247

[8] Кулус Д., 2015. Отдельные аспекты микроразмножения декоративных растений в Польше и во всем мире. Науки Пржиродниче 4(10): 10-25. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.5086.8082

[9] Милер Н., Тимощук А., Реверс М., Кулус Д., 2023. Регенерация хризантемы in vitro из завязей и семяпочек, обработанных термическими и химическими стимулами: морфогенетические и цитогенетические эффекты. Сельское хозяйство 13(11): 2069. https://doi.org/10.3390/agricultural13112069.

[10] Кавиани Б., Дельталаб Б., Кулус Д., Ходдамзаде А.А., Роке-Борда, Калифорния, 2024. Размножение побегов in vitro и укоренение генотипов дамасской розы «Кашан» и «Херви Азербайджан» (Rosa damascena Mill.) для косметических и декоративных целей. приложения. Растения 13(10): 1364. https://doi.org/10.3390/plants13101364.

[11] Дельталаб Б., Кавиани Б., Кулус Д., Саджади С.А. 2024. Оптимизация размножения побегов и индукции корней у Saintpaulia ionantha H. Wendl. использование тиамина (витамина B1) и IBA: многообещающий подход для экономически важного размножения африканской фиалки. Культура тканей и органов растительных клеток 156: 74. https://doi.org/10.1007/s11240-024-02698-5.

[12] Поурхассан А., Кавиани Б., Кулус Д., Милер Н., Негахдар Н.А., 2023. Полный протокол микроразмножения чернолистного Zamioculcas zamiifolia (Lodd.) Engl. 'Вниз'. Horticulturae 9(4): 422. https://doi.org/10.3390/horticulturae9040422.

[13] Кулус Д., 2020. Влияние регуляторов роста на развитие, качество и физиологическое состояние размножаемого in vitro Lamprocapnos spectabilis (L.) Fukuhara. Клеточная биология и биология развития in vitro – Plant 56(4): 447-457. https://doi.org/10.1007/s11627-020-10064-1

[14] Кавиани Б., Барандан А., Тимощук А., Кулус Д., 2023. Оптимизация размножения in vitro подвоя груши (Pyrus communis L.) 'Pyrodwarf®(S)'. Агрономия 13(1): 268. https://doi.org/10.3390/agronomy13010268.

[15] Кулус Д., Милер Н., 2021. Применение растительных экстрактов при микроразмножении и криоконсервации кровоточащего сердца: декоративно-лекарственные виды растений. Сельское хозяйство 11(6): 542. https://doi.org/10.3390/agricultural11060542.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]