Каллусная ткань в биотехнологии

Выделяют два типа культивируемых растительных клеток: нормальные и опухолевые.

Опухолевые клетки морфологически мало отличаются от каллусных. Физиологическим различием является гормононезависимость опухолевых клеток. Благодаря этому свойству опухолевые клетки делятся и растут на питательных средах без добавок фитогормонов. Эти клетки также лишены способности дать начало нормально организованным структурам (корни, побеги) в процессе органогенеза. Иногда они образуют тератомы (уродливые органоподобные структуры), дальнейшее развитие которых невозможно.

Нормальные клетки в культуре могут существовать в двух видах: в виде суспензии в жидкой питательной среде и на поверхности твердой питательной среды в виде каллуса. Поверхностное культивирование осуществляют на полужидкой агаризованной среде, среде с добавлением других желирующих полимеров, на дисках из полиуретана, на мостиках из фильтровальной бумаги, полупогруженных в жидкую питательную среду. Можно также использовать комочки ваты, пропитанные питательной средой, которые сверху покрываются кусочком фильтровальной бумаги.

Каллусная ткань, выращиваемая поверхностным способом, представляет собой аморфную массу тонкостенных паренхимных клеток, не имеющую строго определенной анатомической структуры. Цвет массы может быть белым, желтоватым, зеленым, красным. В зависимости от происхождения и условий выращивания каллусные ткани бывают:

— рыхлые, сильно оводненные, легко распадающиеся на отдельные клетки;

— средней плотности, с хорошо выраженными меристематическими очагами;

— плотные, с зонами редуцированного камбия и сосудов. Как правило, в длительной культуре на средах, содержащих ауксины, каллусные ткани теряют пигментацию и становятся рыхлыми.

В цикле выращивания каллусной ткани клетки после ряда делений приступают к росту растяжением, дифференцируются как зрелая каллусная ткань и деградируют. Для того, чтобы не произошло старения, утраты способности к делению и дальнейшему росту, а также отмирания каллусных клеток, первичный каллус переносят на свежую питательную среду через 28 — 30 дней, то есть проводят пассирование или субкультивирование каллусной ткани.

Неорганизованно растущая каллусная ткань характеризуется тремя типами клеток: мелкими, средними и крупными. При пассировании ткани на среду, содержащую индукторы органогенеза, мелкие клетки приступают к делению и формируют меристематические очаги. Деление клеток меристематического очага приводит либо к формированию почек и последующему развитию из них побегов (геммогенез), либо к ризогенезу (рис. 7, 8).


Рис. 7. Морфогенный каллус	Рис. 8. Ризогенный каллус

Клетки меристемы с самых ранних стадий развития отличаются от каллусных высоким содержанием РНК и белка. При образовании соматических эмбриоидов каллусная клетка средних размеров обособляется, ограничивается плотной оболочкой, теряет крупные вакуоли. Она содержит крупное структурированное ядро с ядрышком. Клетка делится митотически, в результате чего возникают 2 клетки проэмбрио. Последующие деления клеток приводят к формированию шаровидного зародыша, а также органа, аналогичного суспензорам в зародышевом мешке семяпочки. Дальнейшее развитие соматического эмбриона через ряд стадий ведет к регенерации целого растения с корнями и побегами (рис. 9, 10 ), так как в этом случае формируется биполярная структура.


Рис. 9. Растение-регенерант	Рис. 10. Прямой органогенез

Каллусы с высоким морфогенетическим потенциалом обычно матовые, компактные, структурированные, имеют зеленые хлорофиллсодержащие участки, которые представляют собой зоны морфогенеза. Впоследствии там формируются побеги или растения-регенеранты. В культуре также встречаются каллусы рыхлые, не имеющие глобулярного характера. Такие каллусы либо совсем не способны к органогенезу, либо формируют только корни. Появление корней свидетельствует о сдвиге гормонального баланса в сторону ауксинов, что препятствует образованию побегов. Эти каллусы могут остаться ризогенными, и регенерировать из них растения не удастся. Неморфогенные каллусы могут быть переведены в суспензионную культуру для получения вторичных метаболитов.

Переход специализированных неделящихся клеток к пролиферации связан с их дедифференциацией, другими словами — утратой специализации. В основе этого процесса, как и при дифференциации клеток в интактном растении, лежит дифференциальная активность генов. Структура и функции клеток определяются активностью генов, и если клетки различаются по своей структуре и функциям, то это обусловлено различиями в экспрессии их генов, то есть специализация обеспечивается «включением» разных генов в разных клетках. Обычно активна небольшая часть (5%) всего пула генов, свойственных данному виду. В этот состав активных генов входят, кроме видоспецифичных и обязательных для поддержания клеточного метаболизма, гены, активные только в данном органе, ткани, клетке, а также гены, активные лишь в определенном возрасте или начавшие работать только под влиянием изменившихся внешних условий.

Возникновение физиологических и структурных различий между клетками и тканями растений, связанное с их функциональной специализацией, называют процессом дифференциации. Понятие «дифференциация» отражает превращение эмбриональной, меристематической клетки в специализированную. Меристематические клетки, однотипные по структуре и функции, начинают развиваться различными путями, создавая ткани разных органов. Как это осуществляется — один из труднейших вопросов клеточной биологии. Между геномами в клетках, которые приобретают разную форму и функцию, по-видимому, нет качественных различий, и клетки эти начинают различаться только вследствие разной экспрессии генов. Вновь возникшая клетка обладает широкими потенциями и может развиваться по любому из многих путей в морфологическом и физиологическом смысле.

Читайте также: Гроб невесты легкой тканью

Детерминация (определение) пути развития каждой клетки является основой физиологии развития. Вступление на тот или иной путь развития определяется особым набором белков, т. е. каждая специализированная клетка вырабатывает только ей свойственные белки, что является следствием дифференциальной активности генов — экспрессии одной группы генов при одновременной репрессии других. Способность одной-единственной зрелой соматической клетки дать начало целому организму (тотипотентность) показывает, что в процессе нормальной клеточной дифференциации у растений не происходит утраты или необратимой инактивации каких-либо генов.

У растений почти всякая дифференциация обратима при условии, если дифференцированная клетка живая, в протопласте сохранилось ядро и не образовалась вторичная оболочка. Даже такие высокоспециализированные клетки, как микроспоры, с помощью ряда экспериментальных процедур можно заставить пролиферировать и дать начало целому растению. Итак, в определенных условиях многие из зрелых растительных клеток сохраняют способность делиться, а в некоторых случаях даже вступить на новый путь развития. Однако вопрос о том. как это происходит, какие события на молекулярном уровне сопровождают этот процесс, остается открытым.

Таким образом, после деления перед каждой дочерней клеткой открывается одна из трех возможностей. Клетка может оставаться эмбриональной и вновь вступить в клеточный цикл с последующим митозом либо может оказаться как бы «вне цикла» (G_o), перестав делиться, и наконец, приобретя компетенцию, постепенно детерминироваться и вступить на путь дифференцировки (специализации). Компетенция — способность клетки воспринимать индуцирующее воздействие и специфически реагировать на него изменением развития.

Вопрос. Каллусная ткань, характеристика

Цели и задачи биотехнологии, как науки

Биотехнология — приклодная область биологии, разрбататывающая новые технологии с использованием живых организмов, выращивают их на ИПС(искуственные питательные среды) для получения нужных человеку веществ -гармоны, антибиотики, инсулин и т.д.

Объекты: бактерии и вирусы, дрожжи и микроскопические грибы, клетки растений и животных ,нуклеиновые кислоты.

Главные напрвления: клеточная, кланирование и генная инженерия.

Во-первых, поддержание и активация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций различияа у культивируемого организма;

во-вторых, получение клеток или их составных частей (преимущественно — ферментов) для направленного изменения сложных молекул (на-пример, рестриктазы, изомеразы и т. д.);

в-третьих, углубление и совершенствование рДНК-биотехнологии и клеточной инженерии на предмет получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках;

в-четвертых, создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

в-пятых, совершенствование и оптимизация аппаратурного оформления биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании естественных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии;

в-шестых, повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими.

Основные направления в развитие биотехнологии

Сельское хозяйство

1.получение новых пород животных, сортов растений, тканевых и клеточных культур

2.создание новых методов селекции (включая клонирование)

3.создание новых методов хранения и переработки пищевой продукции

4.получение белков и витаминов для увиличения ценности кормов

5.получение гербецидов и биосинтексициды с использованем вирусов, бактерий, низжих грибов и простейших, вырабатыв токсины губительные для вредных насекомых.

Промышленность

1.производство сырья для текстильной промышленности

2.получение метанола, этанола, биогаза для энергетики и хим.промышленности

3.переработка производственных и хозяйственных отходов.

3)медицина и ветеринария: получение вакцин, антибиотиков, витамин, интертерона, ферметов.

Кнтроль за состояием охраны среды

1.разрушение ксенобиотов (вещества, полученные синтетическим путем, не синтезируются и не разрушаются живыми организмами — полиэтилен)

2.утилизация промышленных отходов.

Вопрос № 3 Объекты биотехнологии.

1. клетки способны вырабатывать нужные для человека вещества — белки, углеводы, витамины, гармоны и др.

2. биосинтез этих веществ внутриклеточ. экономичнее, технологичнее и доступнее, чем химический синтез

3. эти веществ аможно получать из отходов с/х, рыбной и пищевой промышленности, а также рост сырья — молочная сыворотка, древесная и т.д.

4. высокая скорость синтеза бактериальными клетками (размножение через 2п-60мин.), дрожжевыми (1,5-2часа), животными (24часа) позволяют получать большую биомассу клеток и веществ, которые синтезируются этими клетками.

Объекты биотехнологии: многочисленные представители групп живых организмов — микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Широкое применение в биотехнологии нашли культуры животных и растительных клеток. Известно, что строение, физиология и биотехнология животных и растительных клеток более сложные, чем у бактериальных клеток. Из культур животных и растительных клеток можно извлечь более широкий ассортимент продуктов сложной, цепной реакции, но процесс культивирования растительных и животных клеток более трудоемкий и дорогостоящий. Из культур тканей растений можно получать разнообразные соединения, используемые в медицине (алкалоиды, противовоспалительные вещества, противолейкозные и противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и почечные средства, ферменты, витамины, опиаты и др.), сельском хозяйстве, химической и других отраслях промышленности. Животные клетки используют как для получения продукции, так и для выращивания в клетках вирусов с целью получения из них вакцин и диагностических препаратов.

Читайте также: Стул королевский слоновая кость ткань орфей 160 1

Вопрос № 4 Клеточная биотехнология.

Клеточная биотехнология основывается на применении клеток, тканей и протопластов. Чтобы успешно управлять клетками, необходимо отделить их от растения и создать им все необходимые условия для успешного существования и размножения вне организма растения. Такой метод выращивания и размножения клеток носит название «культуры изолированных тканей» и получил особое значение из-за возможности применения в биотехнологии.

Клеточная инженерия — выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах.

В основе клеточной инженерии лежит использование методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений — картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томатов и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии — соматической гибридизации, гаплоидии, клеточной селекции, преодоления нескрещиваемости в культуре и др.

вопрос. Каллусная ткань, характеристика

Культура каллусных тканей представлена каллусными клетками, реже опухолевыми клетками. Она состоит из клеток недефференцированных или слабо дефференцированных, способных к неорганич. и неорганизов. росту. Каллус может образовываться на:

1. изолированных кусочках тканях-иксплантах, на НПС, инвитро

2. в местах поражения и травм у растений при этом образуется раневая паренхима, защищает место поранения. Каллусная ткань аморфна. Не имеет выраженной аналитической культуры, в зависимости от условий выращивания имеет резкую консистенцию:

1. рыхлую-состоит из недефференцировано сильно оводненных, лекго отделяющих друг от друга клеток, используется для получения суспензий;

2.средняя плотность- состоит из клеток, содержащих учасик мирестемы;

3.плотная — имеет самый высокий уровень дифференцировки, клетки содержат эл.камбия и проводящие системы.

— рыхлые, сильно оводненные, легко распадающиеся на отдельные клетки;

— средней плотности, с хорошо выраженными меристематическими очагами;

— плотные, с зонами редуцированного камбия и сосудов.

Как правило, в длительной культуре на средах, содержащих ауксины, каллусные ткани теряют пигментацию и становятся рыхлыми.

6. Условия образования каллусных клеток;

Обязательным условием образования каллусных клеток является присутствие в ИПС 2нрупп гармонов:

1. ауксины — вызывают процесс дедиффиренцирования клеток (упрощение структур организма клеток и првращение их в каллусные)

2. цитокилины — учасвтвуют в процессе деления каллусных клеток.

Обязательным условием дедифференцировки растительной клетки и превращения ее в каллусную является присутствие двух групп фитогормонов: ауксинов, вызывающих процесс дедифференцировки клетки, подготавливающий ее к делению и цитокининов, вызывающих пролиферацию (деление) дедифференцированных клеток. Если в питательную среду, не содержащую этих гормонов, поместить растительный эксплант, состоящий из специализированных (дифференцированных) клеток, то деления клеток не произойдет и каллусная ткань не образуется. Это связано с неспособностью дифференцированных клеток к делению.

Характерной чертой заключительной фазы роста является утолщение вторичной клеточной оболочки и потеря клеткой способности к делению. Для того чтобы дифференцированные клетки вновь приобрели способность к делению, необходимо, чтобы произошла их дедифференцировка, т.е. клетки как бы возвратились в меристематическое состояние. Размножение дедифференцированных клеток приводит к анархическому (неорганизованному) росту, в результате чего образуется каллусная ткань. Таким образом, превращение специализированной клетки в каллусную связано с индукцией клеточного деления, способность к которому она потеряла в процессе дифференцировки.

7. Характеристика каллусных клеток по консистенции;

Читайте также: Грогрен что это за ткань

Клетки меристемы с самых ранних стадий развития отличаются от каллусных высоким содержанием РНК и белка. При образовании соматических эмбриоидов каллусная клетка средних размеров обособляется, ограничивается плотной оболочкой, теряет крупные вакуоли. Она содержит крупное структурированное ядро с ядрышком. Клетка делится митотически, в результате чего возникают 2 клетки проэмбрио. Последующие деления клеток приводят к формированию шаровидного зародыша, а также органа, аналогичного суспензорам в зародышевом мешке семяпочки. Дальнейшее развитие соматического эмбриона через ряд стадий ведет к регенерации целого растения с корнями и побегами, так как в этом случае формируется биполярная структура.

8. Сходства между каллусными и нормальными клетками;

— синтез вторичных метаболитов;

— морозо- и жаростойкость, устойчивость к низким и высоким температурам;

— фотопериодическая реакция связана с сохранением активности фитохромов;

— устойчивость к осмотически активным веществам, к засолению и т.п;

-каллусные кдетки, как обычные включают 3 фазы роста: деление, рястяжение, диффиренцировку, после чего происходит утолщение вторичной клеточной оболочки и потеря способности к делению, наступает старение клеток и отмирание.

9. Различия между каллусными и нормальными клетками;

1.Клеточный цикл у каллусных клеток длинее, чем у обычных

2.Каллусные клетки содержат специфические белки

3.Неконтролируются организмом, поэтому в среде-каллусных клетках на ИПС одновременно встречаются клетки разные по возрасту и генотипу ( содежат разное число хромосом)

4.Энергетический обмен каллусных клеток отличается от нормальных тем, что в присутствии О₂ в каллустных клетках дыхание не подавляет брожение, поэтому АТФ образуется одновременно в кислродных и бескислородных условиях; причина- слабое развитие митохондриальных крист.

энергетический обмен это синтез энергии (АТФ) и ее расходования. Расходование АТФ происходит на процессы синтеза веществ, в том числе и углеводов, а также на размножение (увеличение клеточной массы) и др. . Пентозы это моносахара, содержащие 5 углеродных атомов. Главными из них (упрощаю) являются рибоза, входит в структуру РНК и дезоксирибоза — в ДНК. Обе пентозы альдегидоспирты.

Углеводы в форме дисахаров и полисахаров откладываются в запас (запасные вещества).

Различия: клеточный цикл у каллусных клеток длиннее, чем у обычных; каллусные клетки содержат специфические белки;( специфичность определяется необычными аминокислотами); не контролируются организмом (существуют вне организма); Имеют асинхронный неограниченный рост ; клетки гетерогенны (неоднородны) по возрасту, и генотипу; АТФ (источник энергии) образуется одновременно в процессах дыхания и брожения

10 вопрос. Генетика (генотип) каллусных клеток
В 60-х годах прошлого века было установлено, чт каллусные клетки обладают генетической гетерогенностью иразной плоидностью ( неодинаковое число хромосом). У каллусных клеток может быть :

1.полиплоидия -краткое увеличение числа хромосом (4п, 8п, 16п)

2.нормальнаядиплоидная форма (2п)

3.гетероплоидия — увеличение или уменьшение на 1 хромосому (2п+1).

Клетки каллусной ткани обладают выраженной генетической гетерогенностью. Генетическая неоднородность каллусных клеток выражается прежде всего в различной плотности, т.е. каллусные клетки отличаются по числу хромосом. Генетически стабильными in vitro являются меристематические ткани.

В каллусных и суспензионных культурах встречаются клетки, имеющие диплоидный набор хромосом, свойственный исходному растению, полиплоидные клетки, содержащие 3,4,5 и более хромосомных наборов. Наряду с полиплоидией в культуре каллусных тканей можно нередко наблюдать анеуплоидию (возрастание или уменьшение хромосомного набора на несколько хромосом). Чем длительнее культивируют каллусные клетки, тем больше они различаются по плоидности. В калусных клетках табака через четыре года культивирования совсем не остается диплоидных клеток: все клетки становятся полиплоидными иРазличия: клеточный цикл у каллусных клеток длиннее, чем у обычных; каллусные клетки содержат специфические белки;( специфичность определяется необычными аминокислотами); не контролируются организмом (существуют вне организма); Имеют асинхронный неограниченный рост ; клетки гетерогенны (неоднородны) по возрасту, и генотипу; АТФ (источник энергии) образуется одновременно в процессах дыхания и броженияли анеуплоидными.

Кроме изменения плоидности, культивирование клеток и тканей растений in vitro вызывает появление в клетках хромосомных аббераций. Последние сказываются на биологических особенностях культивируемых тканей, изменяя их внешний вид, обмен веществ, скорость роста.

Генетическое разнообразие каллусных клеток позволяет использовать их для клеточных селекций на устойчивость к неблагоприятным факторам среды, фитопатогенам и на повышенную продуктивность.

Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом