Культура тканей растений
Культура тканей растений — это совокупность 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 растения методом, известным как микроразмножение . Различные методы культуры тканей растений могут иметь определенные преимущества перед традиционными методами размножения, в том числе:
- Производство точных копий растений, дающих особенно хорошие цветы, плоды или другие желаемые характеристики.
- Для быстрого получения зрелых растений.
- Для производства большого количества растений на ограниченном пространстве.
- Производство множества растений при отсутствии семян или необходимых опылителей для получения семян.
- Регенерация целых растений из растительных клеток, которые были генетически модифицированы.
- Производство растений в стерильных контейнерах позволяет их перемещать со значительно меньшим риском передачи болезней, вредителей и патогенов.
- Производство растений из семян, которые в противном случае имеют очень низкие шансы на прорастание и рост, например орхидеи и непентес .
- Очищать отдельные растения от вирусных и других инфекций и быстро размножать эти растения в качестве «очищенного материала» для садоводства и сельского хозяйства.
- Размножение непокорных растений, необходимых для восстановления земель.
- Хранение генетического растительного материала для защиты местных видов растений.
Культура растительных тканей основана на том факте, что многие части растения обладают способностью регенерировать в целое растение (клетки этих регенерирующих частей растения называются тотипотентными клетками, которые могут дифференцироваться в различные специализированные клетки). Отдельные клетки, растительные клетки 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 растительных гормонов .
используемые для культуры тканей растений in vitro , Методы
Подготовку растительной ткани к культуре тканей проводят в асептических условиях на воздухе, фильтрованном HEPA, в камере с ламинарным потоком . После этого ткань выращивают в стерильных контейнерах, таких как чашки Петри или колбы, в камере для выращивания с контролируемой температурой и интенсивностью света. Живые растительные материалы из окружающей среды естественным образом загрязняются на своих поверхностях (а иногда и внутри) микроорганизмами , поэтому их поверхности стерилизуют химическими растворами (обычно спиртом и натрия или гипохлоритом кальция ). [1] подходящие образцы (так называемые эксплантаты перед тем, как будут взяты ). Затем стерильные эксплантаты обычно помещают на поверхность стерильной твердой культуральной среды, но иногда помещают непосредственно в стерильную жидкую среду, особенно когда желательны культуры суспензии клеток. Твердые и жидкие среды обычно состоят из неорганических солей, а также небольшого количества органических питательных веществ, витаминов и растительных гормонов. Твердые среды готовят из жидких сред с добавлением желирующего агента, обычно очищенного агара .
Состав среды, особенно растительные гормоны и источник азота (нитрат или соли аммония или аминокислоты), оказывают глубокое влияние на морфологию тканей, которые растут из исходного эксплантата. Например, избыток ауксина часто приводит к разрастанию корней, а избыток цитокинина может привести к образованию побегов . Баланс ауксина и цитокинина часто приводит к неорганизованному росту клеток или каллюсу , но морфология выроста будет зависеть от вида растения, а также от состава среды. По мере роста культуры ее кусочки обычно отрезают и пересевают на новую среду, чтобы обеспечить рост или изменить морфологию культуры. Навыки и опыт специалиста по культуре тканей важны для принятия решения о том, какие части культивировать, а какие выбросить.
Когда из культуры появляются побеги, их можно срезать и укоренить с помощью ауксина, чтобы получить ростки, которые, когда они созреют, можно перенести в горшечную почву для дальнейшего роста в теплице как нормальные растения. [2]
Пути регенерации [ править ]
 |
Конкретные различия в регенерационном потенциале разных органов и эксплантов имеют разные объяснения. К значимым факторам относятся различия в стадиях клеточного цикла , наличие или способность транспортировать эндогенные регуляторы роста, а также метаболические возможности клеток. Наиболее часто используемые тканевые эксплантаты представляют собой меристематические концы растений, такие как кончик стебля, кончик пазушной почки и кончик корня. [3] Эти ткани имеют высокую скорость деления клеток и либо концентрируют, либо производят необходимые вещества, регулирующие рост, включая ауксины и цитокинины.
Эффективность регенерации побегов в культуре тканей обычно является количественным признаком , который часто варьируется между видами растений и внутри вида растений, в зависимости от подвидов, сортов, сортов или экотипов . Следовательно, регенерация культуры ткани может усложниться, особенно когда необходимо разработать множество процедур регенерации для разных генотипов одного и того же вида.
Тремя распространенными путями регенерации культуры тканей растений являются размножение из ранее существовавших меристем (культура побегов или узловая культура), органогенез и незиготический эмбриогенез .
Размножение побегами или узловыми сегментами обычно выполняется в четыре этапа для массового получения проростков путем вегетативного размножения in vitro, но органогенез - это стандартный метод микроразмножения, который включает регенерацию тканей адвентивных органов или пазушных почек напрямую иликосвенно из эксплантов. Незиготический эмбриогенез представляет собой заслуживающий внимания путь развития, который во многом сопоставим с путем развития зиготических эмбрионов, и является важным путем для производства сомаклональных вариантов, разработки искусственных семян и синтеза метаболитов. Из-за одноклеточного происхождения незиготических эмбрионов они предпочтительны в некоторых системах регенерации для микроразмножения, манипуляций с плоидностью, переноса генов и производства синтетических семян. Тем не менее, регенерация тканей посредством органогенеза также оказалась полезной для изучения регуляторных механизмов развития растений.
Выбор эксплантата [ править ]
Ткань, полученная из растения, подлежащего культивированию, называется эксплантатом.
Экспланты могут быть взяты из самых разных частей растения, включая части побегов, листьев, стеблей, цветков, корней, отдельных недифференцированных клеток , а также из многих типов зрелых клеток при условии, что они все еще содержат живую цитоплазму и ядра и способны деградировать. дифференцировать и возобновлять деление клеток. Это привело к появлению концепции тотипотентности растительных клеток. [4] [5] Однако это справедливо не для всех клеток и не для всех растений. [6] У многих видов эксплантаты различных органов различаются по скорости роста и регенерации, а некоторые вообще не растут. Выбор материала эксплантата также определяет, будут ли проростки, полученные с помощью культуры ткани, гаплоидными или диплоидными . Кроме того, риск микробного заражения увеличивается при использовании неподходящих эксплантов.
Первый метод, включающий меристемы и индукцию множественных побегов, является предпочтительным методом для индустрии микроразмножения, поскольку риски сомаклональных вариаций (генетических вариаций, вызванных культурой ткани) минимальны по сравнению с двумя другими методами. Соматический эмбриогенез - это метод, который потенциально может в несколько раз повысить скорость размножения и пригоден для использования в системах жидких культур, таких как биореакторы.
Некоторые экспланты, например кончик корня , трудно изолировать, и они загрязнены почвенной микрофлорой, что становится проблематичным в процессе культивирования тканей. Определенная почвенная микрофлора может образовывать тесные связи с корневой системой или даже расти внутри корня. Частицы почвы, связанные с корнями, трудно удалить без повреждения корней, что в свою очередь приводит к микробной атаке. Эта связанная микрофлора обычно перерастает среду тканевой культуры до того, как произойдет значительный рост растительной ткани.
Некоторые культивируемые ткани растут медленно. Для них было бы два варианта: (i) оптимизация культуральной среды; (ii) Культивирование высокочувствительных тканей или сортов. [7] Некроз может испортить культивируемые ткани. В целом сорта растений различаются по восприимчивости к некрозу тканевых культур. Таким образом, с этим можно справиться путем культивирования высокочувствительных сортов (или тканей). [7]
Воздушные (надпочвенные) экспланты также богаты нежелательной микрофлорой. Однако их легче удалить из эксплантата путем осторожного промывания, а остатки обычно можно уничтожить поверхностной стерилизацией. Большая часть поверхностной микрофлоры не образует тесных связей с растительной тканью . Такие ассоциации обычно можно обнаружить при визуальном осмотре в виде мозаики, обесцвечивания или локализованного некроза на поверхности эксплантата.
Альтернативой получения незагрязненных эксплантов является получение эксплантов из проростков, выращенных в асептических условиях из стерилизованных на поверхности семян. Твердая поверхность семян менее проницаема для проникновения агрессивных поверхностных стерилизующих агентов, например гипохлорита , поэтому приемлемые условия стерилизации, применяемые для семян, могут быть гораздо более жесткими, чем для вегетативных тканей.
Растения, культивируемые в тканях, представляют собой клоны . Если исходное материнское растение, использованное для производства первых эксплантов, восприимчиво к патогену или условиям окружающей среды, то весь урожай будет подвержен той же проблеме. И наоборот, любые положительные черты также останутся в пределах этой линии.
культуры Применение тканей растений
Культура тканей растений широко используется в растениеводстве, лесном хозяйстве и садоводстве. Приложения включают в себя:
- Коммерческое производство растений, используемых в качестве горшечных, ландшафтных и флористических предметов, при котором используется меристема и культура побегов для получения большого количества идентичных особей.
- Сохранение редких или находящихся под угрозой исчезновения видов растений. [8]
- Селекционер растений может использовать культуру ткани для скрининга клеток, а не растений, на наличие преимущественных признаков, например к гербицидам . устойчивости/толерантности
- Крупномасштабный выращивание 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 . [9]
- Скрещивать отдаленно родственные виды путем слияния протопластов и регенерации нового гибрида .
- Быстро изучить молекулярные основы физиологических, биохимических и репродуктивных механизмов растений, например, отбор in vitro устойчивых к стрессу растений. [10]
- Перекрестное опыление отдаленно родственных видов, а затем культивирование тканей полученного эмбриона, который в противном случае обычно погиб бы (спасение эмбрионов).
- и индукции полиплоидии Для удвоения хромосом [11] например, удвоенные гаплоиды, тетраплоиды и другие формы полиплоидов . Обычно этого достигают применением антимитотических средств, таких как колхицин или оризалин .
- В качестве ткани для трансформации с последующим либо кратковременным тестированием генетических конструкций, либо регенерацией трансгенных растений.
- Определенные методы, такие как культура кончиков меристем, могут использоваться для получения чистого растительного материала из зараженного вирусом материала, такого как сахарный тростник, [12] картофель и многие виды мягких фруктов.
- Можно получить продукцию идентичных стерильных гибридных видов.
- Крупномасштабное производство искусственных семян посредством соматического эмбриогенеза. [13]
Примеры [ править ]
Развитие сомаклональной вариации
| Растение | Сомаклональный вариант | Черты |
| Сахарный тростник | 'Оно' | устойчивость к болезни Фиджи. |
| Цитронелла Ява | «Био-13» (от CIMAP, Лакхнау) | на 37% больше масла |
Климатическая устойчивость
- Как в Кавери Вамане (от NRCB, Тамилнад), банановом мутанте тканевой культуры, способном выдерживать проливные дожди. [14]
Производство вторичных метаболитов
- Такие как кофеин из арабского кофе , никотин из Nicotiana Rustica .
Индукция цветения
- На деревьях с задержкой цветения или на бамбуке , где некоторые виды цветут один раз в жизни, но могут жить дольше 50 лет. [15]
См. также [ править ]
- Культура волосатого корня
- Готлиб Хаберландт , пионер культуры растительных тканей.
- Фредерик Кэмпион Стюард , пионер и «поборник» культуры растительных тканей.
- Среда Мурасиге и Скуга и раствор Хоугланда , важные среды для роста растений.
- Физиология растений
Ссылки [ править ]
Примечания
- ^ Сатьянараяна, Б.Н. (2007). Культура тканей растений: практика и новые экспериментальные протоколы . ИК Интернешнл. стр. 106–. ISBN 978-81-89866-11-2 .
- ^ Бходжвани, СС; Раздан, МК (1996). Культура тканей растений: теория и практика (Пересмотренная ред.). Эльзевир. ISBN 978-0-444-81623-8 .
- ^ Саркар, Снехасиш; Рой, Сури; Гош, Судип К.; Басу, Аситава (1 апреля 2019 г.). «Применение латерального ветвления для преодоления неподатливости регенерации in vitro инфицированного Agrobacterium голубиного гороха (Cajanus cajan L.)» . Культура растительных клеток, тканей и органов . 137 (1): 23–32. дои : 10.1007/s11240-018-01547-6 . ISSN 1573-5044 .
- ^ Василь, ИК; Василь, В. (1972). «Тотипотентность и эмбриогенез в культурах растительных клеток и тканей». Ин Витро . 8 (3): 117–125. дои : 10.1007/BF02619487 . ПМИД 4568172 . S2CID 20181898 .
- ^ Брайан Джеймс Этвелл; Колин Дж. Н. Тернбулл; Пол Э. Кридеманн (1999). Растения в действии: адаптация в природе, эффективность выращивания (1-е изд.). Архивировано из оригинала 27 марта 2018 года . Проверено 7 мая 2020 г.
- ^ Индра К. Васил; Тревор А. Торп (1994). Культура растительных клеток и тканей . Спрингер. стр. 4–. ISBN 978-0-7923-2493-5 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Пазуки, Арман и Сохани, Мехди (2013). «Фенотипическая оценка каллусов, полученных из щитков, у сортов риса Индика» (PDF) . Acta Agriculturae Словения 101 (2): 239–247. дои : 10.2478/acas-2013-0020 .
- ^ Мукунд Р. Шукла; А. Максвелл П. Джонс; Дж. Алан Салливан; Чуньжао Лю; Сьюзан Гослинг; Правин К. Саксена (апрель 2012 г.). «Сохранение вяза американского ( Ulmus americana ) in vitro: потенциальная роль метаболизма ауксина в устойчивом пролиферации растений». Канадский журнал лесных исследований . 42 (4): 686–697. дои : 10.1139/x2012-022 .
- ^ Георгиев Милен И.; Вебер, Йост; Малюк, Александр (2009). «Биопереработка культур растительных клеток для массового производства целевых соединений». Прикладная микробиология и биотехнология . 83 (5): 809–23. дои : 10.1007/s00253-009-2049-x . ПМИД 19488748 . S2CID 30677496 .
- ^ Манодж К. Рай; Раджвант К. Калия; Рохтас Сингх; Ману П. Гангола; АК Дхаван (апрель 2011 г.). «Развитие стрессоустойчивых растений посредством отбора in vitro — обзор последних успехов». Экологическая и экспериментальная ботаника . 71 (1): 89–98. дои : 10.1016/j.envexpbot.2010.10.021 .
- ^ Айна, О; Кезенберри, К.; Галло, М (2012). «Индукция тетраплоидов in vitro у Arachis paraguariensis ». Культура растительных клеток, тканей и органов . 111 (2): 231–238. дои : 10.1007/s11240-012-0191-0 . S2CID 9211804 .
- ^ 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 верхушки побега . Международный журнал науки и природы 8 (1): 154–157.
- ^ 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.
- ^ Бюро, The Hindu (21 августа 2023 г.). «Тиручи» . Индус . ISSN 0971-751X . Проверено 31 августа 2023 г.
- ^ Шривастава, С.; Нарула, А. (16 января 2006 г.). Биотехнология растений и молекулярные маркеры . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4020-3213-4 .
Источники
- Джордж, Эдвин Ф.; Холл, Майкл А.; Де Клерк, Герт-Ян, ред. (2008). Размножение растений культурой ткани . Том. 1. Предыстория (3-е изд.). Спрингер. ISBN 978-1-4020-5004-6 .
- Ядав, Р.; Арора, П.; Кумар, Д.; Катьял, Д.; Дилбаги, Н.; Чаудхури, А. (2009). «Высокочастотная прямая регенерация растений из листьев, междоузлий и корневых сегментов тополя восточного ( Populus deltoides )». Отчеты о биотехнологии растений . 3 (3): 175–182. дои : 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 .
