Культура изолированных тканей растений представлена

Культура изолированных клеток, тканей и органов растений

Культура клеток, тканей и органов растений представляет собой части растений, выращиваемые в асептических условиях на искусст­венных питательных средах, и включает:

каллусные культуры на гелеобразной (твердой) питательной

суспензионные культуры клеток в жидкой питательной среде,

изолированные органы растений.

Первые попытки культивировать изолированные клетки и ткани растений были предприняты в конце XIX в. известными немецкими учеными Г. Габерландтом, X. Фёхтингом и С. Рехингером. Они пыта­лись выращивать in vitro небольшие кусочки тканей растений, помещая их на влажную поверхность фильтра в растворе сахарозы. По аналогии с культурами животного происхождения, где использовались питатель­ные среды природного происхождения (плазма крови, зародышевая жидкость), физиологи растений пытались выращивать клеточную мас­су, используя соки и экстракты растений. Первые опыты оказались не совсем удачными, поскольку транспорт и превращение питательных веществ у целого растения и изолированных растительных клеток су­щественно отличается. Лишь к началу 20-х гг. прошлого века ученые отказались от использования природных сред неопределенного состава в пользу синтетических сбалансированных сред. Основой послужили среды, используемые для выращивания целых растений.

Описанный период может считаться лишь предысторией метода культуры тканей и клеток растений. Настоящее развитие этого метода началось с работ Филиппа Уайта в США и Роже Готре во Франции. В результате их исследований в 30-х гг. XX столетия было установлено, что изолированные органы, ткани и клетки растений могут расти в культуре in vitro неограниченно долго при пассировании (пересадках) их на свежую питательную среду при определенных условиях. Многие ткани, введенные ими в культуру, существуют в пассированной культу­ре по настоящее время.

Культура клеток и тканей лекарственных растений — сравнительно молодая отрасль науки. Впервые культуру тканей лекарственного рас­тения, а именно барвинка розового, получил Уайт в 1945 г. В 1947 г. в лаборатории Готре была получена культура ткани белены черной и по­казана ее способность вырабатывать соответствующие алкалоиды. В конце 50-х гг. XX в. был разработан метод массового выращивания клеток и тканей глубинным способом в жидких питательных средах.

В СССР первые лаборатории по исследованию культур изолирован­ных тканей и клеток лекарственных растений были открыты на базе Института физиологии растений АН СССР под руководством член-корр. АН СССР Р.Г. Бутенко, в Ленинградском химико-фармацевтичес­ком институте, во Всесоюзном институте лекарственных растений и в Томском медицинском институте (ТМИ). В ТМИ лаборатория была ор­ганизована при кафедре фармакогнозии и ботаники под руководством профессора Л.Н. Березнеговской.

С культурами изолированных тканей и клеток работают по разным направлениям почти во всех странах Европы, в том числе и в России, а также Северной и Южной Америке, Азии, особенно в Китае, Индии, Японии.

Дата добавления: 2016-02-24 ; просмотров: 1081 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Культура изолированных тканей

Методы выращивания изолированных тканей растений были разработаны Ф. Уайтом и Р. Готре. Сущность метода заключается в том, что выделенные ку­сочки ткани или отдельные клетки выращивают на искусственной питательной среде в стерильных условиях. Если полностью дифференцированную клетку изолировать, то в стерильных условиях на соответствующей питательной среде она снова начинает делиться, и затем из нее может развиться целый растительный организм. Так, из одной полностью дифференцированной клетки флоэмы, выделенной из корнеплода моркови, из клетки сердцевинной паренхимы табака и других можно получить целое, полностью развившееся растение. В опытах Р.Г. Бутенко с клетками фло­эмы моркови при выращивании на питательной среде в стерильных условиях сначала клетки быстро делились. Получалась недифференцированная масса мелких клеток — каллюс меристематической структуры (увеличенное число рибосом, митохондрий и т. д.) с интенсивным синтезом РНК и белка. При этом возрастала интенсивность дыхания и увеличивалась доля пентозофосфатного пути. Затем в массе однородных клеток возникали очаги дифференциации, клет­ки дифференцировались вторично. Процесс вторичной дифференцировки можно разделить на две фазы. Первая фаза — это образование в массе однородных клеток очагов регенерационной меристемы и возникновение зародышевых структур (эмбриоидов), которые на­поминают настоящие и имеют зачаточную почечку и зачаточный корешок. На второй фазе происходит рост этих зародышевых структур. При этом в зависи­мости от соотношения фитогормонов (ауксинов и цитокининов) происходит преимущественный рост тех или иных органов. В настоящее время ведутся исследования с изолированными протопластами, которые выделяют путем раз­рушения клеточных стенок специальными ферментами. Изолированные про­топласты при помещении их на подходящую питательную среду образуют но­вую оболочку, т. е. превращаются в клетки. Вместе с тем протопласты способны сливаться вежду собой и образовывать клеточную оболочку. Таким образом, можно получить гибридную клетку, а из нее растение. Рост и дифференциация и в этом случае зависят от соотношения физических и гормональных веществ в питательной среде. Метод выращивания изолированных тканей, клеток, протопластов позволя­ет решать многие теоретические вопросы, связанные с раскрытием механизмов дифференцировки (морфогенеза), регуляции физиологических процессов и др. Этот метод получил также широкое практическое применение в области сель­ского хозяйства, биотехнологической промышленности.

Читайте также: Авточехлы кожа или ткань

Биотехнология — наука, использующая биологические принципы в практиче­ских целях. Эта отрасль науки охватывает очень широкий круг вопросов. Ряд из них решается с помощью клеточных культур. Так, все более важное значение приобретает клональное размножение. Клон — ряд поколений генетически одно­родных потомков одной исходной особи, образующейся в результате бесполого размножения. Клонирование позволяет получать большое количество поса­дочного материала, полностью идентичного исходной особи. При клональном микроразмножении в большинстве случаев в качестве ис­ходного материала используются фрагменты верхушечной апикальной мери­стемы. Верхушечные меристемы не содержат патогенных микроорганизмов, поэтому растения, полученные от них, являются здоровыми. Изолированные меристемы выращивают в стерильных условиях на ряде последовательно меняю­щихся питательных сред. В результате получаются растения с корневой системой, пригодные для посадки в почву. Этим методом от клеток меристемы одного растения можно получить практически неограниченное число потомков. Ме­тод широко применяется для размножения декоративных, ягодных и других растений. Все большее значение в селекции приобретает метод изолированных клеток. Здесь возможны разные направления: направленный отбор клеток, ока­завшихся устойчивыми к тем или иным неблагоприятным условиям среды или болезням, и выращивание из них устойчивых растений (клеточная селекция). Важное значение имеет получение гаплоидных растений, содержащих одинар­ный набор хромосом. Этот метод предполагает получение растений из мужских либо из женских гамет. Гаплоидные растения после обработки колхицином имеют два набора идентичных хромосом, полностью соответствующих материнскому рас­тению. Большие надежды возлагаются на соматическую гибридизацию, заключаю­щуюся в слиянии двух протопластов. Таким путем были получены гибриды между картофелем и томатами, названные «помато». Преимущества такой гибридизации заключаются в том, что наследуются признаки, не только закодированные в ядре, но и в органеллах цитоплазмы. Следовательно, можно управлять такими важными процессами, как фотосинтез, дыхание и др. Наконец, нельзя не отметить широкое использование культуры изолированных тканей для промышленного получения ряда важнейших лекарственных и пищевых препаратов. В качестве примера мож­но привести получение тонизирующих веществ из клеток женьшеня, стероидных сапонинов из клеток дискореи дельфитовидной и др.

Необходимо в заключение отметить, что для всех направлений применения метода изолированных тканей необходимо знание физиологических особенно­стей используемого объекта. Из опытов с культурой изолированных тканей, кле­ток и протопластов можно сделать несколько выводов:

1. Все клетки действительно имеют одинаковые потенциальные возможности.

2. Клетка, находящаяся в окружении других клеток, и клетка, выделенная из ткани, проявляют эти возможности по-разному.

3. Проявление потенциальных возможностей клеток определяется внутрен­ними и внешними условиями. Большое значение имеют гормоны.

4. В основе регуляции дифференциации клетки лежит дифференциальная ак­тивность генома.

5. Не все клетки могут полностью проявить свои возможности. В некоторых случаях гены настолько репрессированы, что эти возможности не проявляются. В процессе развития клетка может также потерять способность реализовать имеющуюся информацию.

Культура изолированных тканей

Методы выращивания изолированных тканей растений были разработаны Ф. Уайтом и Р. Готре. Сущность метода заключается в том, что выделенные ку­сочки ткани или отдельные клетки выращивают на искусственной питательной среде в стерильных условиях.

Если полностью дифференцированную клетку изолировать, то в стерильных условиях на соответствующей питательной среде она снова начинает делиться, и затем из нее может развиться целый растительный организм. Так, из одной полностью дифференцированной клетки флоэмы, выделенной из корнеплода моркови, из клетки сердцевинной паренхимы табака и других можно получить целое, полностью развившееся растение. В опытах Р.Г. Бутенко с клетками фло­эмы моркови при выращивании на питательной среде в стерильных условияхсначала клетки быстро делились. Получалась недифференцированная массамелких клеток — каллюс меристематической структуры (увеличенное число рибосом, митохондрий и т. д.) с интенсивным синтезом РНК и белка. При этом возрастала интенсивность дыхания и увеличивалась доля пентозофосфатного пути. Затем в массе однородных клеток возникали очаги дифференциации, клет­ки дифференцировались вторично.

Процесс вторичной дифференцировки можно разделить на две фазы. Первая фаза — это образование в массе однородных клеток очагов регенерационной меристемы и возникновение зародышевых структур (эмбриоидов), которые на­поминают настоящие и имеют зачаточную почечку и зачаточный корешок. На второй фазе происходит рост этих зародышевых структур. При этом в зависи­мости от соотношения фитогормонов (ауксинов и цитокининов) происходит преимущественный рост тех или иных органов. В настоящее время ведутся исследования с изолированными протопластами, которые выделяют путем раз­рушения клеточных стенок специальными ферментами. Изолированные про­топласты при помещении их на подходящую питательную среду образуют но­вую оболочку, т. е. превращаются в клетки. Вместе с тем протопласты способны сливаться вежду собой и образовывать клеточную оболочку. Таким образом, можно получить гибридную клетку, а из нее растение. Рост и дифференциация и в этом случае зависят от соотношения физических и гормональных веществ в питательной среде.

Читайте также: Ткани шелк для длинных платьев

Метод выращивания изолированных тканей, клеток, протопластов позволя­ет решать многие теоретические вопросы, связанные с раскрытием механизмов дифференцировки (морфогенеза), регуляции физиологических процессов и др. Этот метод получил также широкое практическое применение в области сель­ского хозяйства, биотехнологической промышленности.

Биотехнология— наука, использующая биологические принципы в практиче­ских целях. Эта отрасль науки охватывает очень широкий круг вопросов. Ряд из них решается с помощью клеточных культур. Так, все более важное значение приобретает клональное размножение. Клон — ряд поколений генетически одно­родных потомков одной исходной особи, образующейся в результате бесполого размножения. Клонирование позволяет получать большое количество поса­дочного материала, полностью идентичного исходной особи.

При клональном микроразмножении в большинстве случаев в качестве ис­ходного материала используются фрагменты верхушечной апикальной мери­стемы. Верхушечные меристемы не содержат патогенных микроорганизмов, поэтому растения, полученные от них, являются здоровыми. Изолированные меристемы выращивают в стерильных условиях на ряде последовательно меняю­щихся питательных сред. В результате получаются растения с корневой системой, пригодные для посадки в почву. Этим методом от клеток меристемы одного растения можно получить практически неограниченное число потомков. Ме­тод широко применяется для размножения декоративных, ягодных и других растений. Все большее значение в селекции приобретает метод изолированных клеток. Здесь возможны разные направления: направленный отбор клеток, ока­завшихся устойчивыми к тем или иным неблагоприятным условиям среды или болезням, и выращивание из них устойчивых растений (клеточная селекция).

Важное значение имеет получение гаплоидных растений, содержащих одинар­ный набор хромосом. Этот метод предполагает получение растений из мужских либо из женских гамет. Гаплоидные растения после обработки колхицином имеют два набора идентичных хромосом, полностью соответствующих материнскому рас­тению. Большие надежды возлагаются на соматическую гибридизацию, заключаю­щуюся в слиянии двух протопластов. Таким путем были получены гибриды между картофелем и томатами, названные «помато». Преимущества такой гибридизации заключаются в том, что наследуются признаки, не только закодированные в ядре, но и в органеллах цитоплазмы. Следовательно, можно управлять такими важными процессами, как фотосинтез, дыхание и др. Наконец, нельзя не отметить широкое использование культуры изолированных тканей для промышленного получения ряда важнейших лекарственных и пищевых препаратов. В качестве примера мож­но привести получение тонизирующих веществ из клеток женьшеня, стероидных сапонинов из клеток дискореи дельфитовидной и др.

Необходимо в заключение отметить, что для всех направлений применения метода изолированных тканей необходимо знание физиологических особенно­стей используемого объекта. Из опытов с культурой изолированных тканей, кле­ток и протопластов можно сделать несколько выводов:

1. Все клетки действительно имеют одинаковые потенциальные возможности.

2. Клетка, находящаяся в окружении других клеток, и клетка, выделенная из ткани, проявляют эти возможности по-разному.

3. Проявление потенциальных возможностей клеток определяется внутрен­ними и внешними условиями. Большое значение имеют гормоны.

4. В основе регуляции дифференциации клетки лежит дифференциальная ак­тивность генома.

5. Не все клетки могут полностью проявить свои возможности. В некоторых случаях гены настолько репрессированы, что эти возможности не проявляются.

В процессе развития клетка может также потерять способность реализовать имеющуюся информацию.

Направления и возможности использования культуры изолированных тканей растений

Методы культивирования изолированных клеток, органов и тканей находят широкое применение в экспериментальной биологии и используются во многих биотехнологических процессах, в которые включены высшие растения.

Если биологической основой культуры изолированных тканей является тотипотентность растительных клеток, то обеспечение этого процесса складывается путем подбора питательных сред определенного состава, регуляторов роста и технических (физических) условий введения в культуру и собственно процесса культивирования (выбор экспланта, стерилизация, освещенность, температура и др.).

Основные направления использования

Культура клеток и тканей растений может использоваться в двух основных направлениях: 1) размножение или поддержание жизни у неизмененных по сравнению с донорами клеток, тканей, растений; 2) целенаправленное воздействие на изменение генетического статуса клеток и отбор в селективных условиях нужных вариантов.

Возможности культуры изолированных клеток и тканей растений весьма обширны:
1) получение вторичных метаболитов, продуцируемых отдельными клетками и тканями некоторых полезных растений (алкалоидов, глюкозидов, стероидов и т.д.), используемых для производства лекарств;
2) клеточная и тканевая селекция форм с полезными хозяйственными свойствами;
3) генетическое улучшение сельскохозяйственных растений;
4) ускоренное (микроразмножение) ценных и уникальных генотипов и поддержание жизнеспособности ослабленных клеток и тканей;
5) освобождение (оздоровление) посадочного материала от вирусной инфекции;
6) сохранение генофонда в условиях криоконсервации.

С использованием методов культивирования также решается большое число теоретических проблем, в том числе:
— особенности старения растительной клетки;
— процессы цитодифференцировки и морфогенеза;
— роль фитогормонов, углеводов, витаминов, минеральных веществ при каллусогенезе, органогенезе, морфогенезе;
— взаимоотношения клеток высших растений с клубеньковыми бактериями и микоризными грибами;
— механизмы устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды: абиотическим (засолению, кислой среде, низким температурам и т.д.), биотическим (патогенам разного происхождения, вызывающим болезни растений);
— регуляция вторичного обмена;
— механизмы опухолеобразования;
— механизмы сомаклональной изменчивости;
— популяционные взаимоотношения в клеточной культуре.

Читайте также: Ткань сетка для автошторок

Проблемы культивирования изолированных тканей

Успех в применении культуры клеток и тканей зависит от оптимизации физиологических процессов, обеспечивающих нормальное деление клеток, их дифференциацию и регенерацию из них взрослых растений, что определяется многими факторами, прежде всего используемыми гормонами. Наиболее сложной является регенерация растений из отдельных клеток. В первую очередь это касается злаковых растений, поэтому важнейшее значение имеет выяснение механизмов морфогенеза in vitro, регенерации и лежащих в их основе процессов.

Высокая способность к образованию растений-регенерантов при культивировании in vitro тканей и клеток растений является необходимым условием эффективного применения многих клеточных технологий.

В старых пересадочных культурах может протекать процесс, получивший название «привыкание». Он связан с усилением клеточной дедифференцировки, приобретением автономности по отношению к гормонам и превращением каллусных клеток в клетки химических опухолей. «Привыкание» тканей препятствует в большинстве случаев получению растений-регенерантов. Утрата регенерационной способности наблюдается также при длительном пассировании у гормонозависимых, т.е. нормальных, каллусных тканей.

Новообразование растений в культивируемых каллусных культурах в значительной степени определяется генотипом и физиологическим статусом экспланта. В связи с этим способ отбора генотипов и эксплантов, эффективных к образованию морфогенетических структур в культуре in vitro, представляет собой актуальную задачу. Решение ее сопряжено с разработкой ряда физиологических проблем, одной из которых является изучение особенностей целого растения, обуславливающих поведение его органов и тканей в культуре in vitro.

Имеются данные, которые указывают на связь способности к регенерации растений в культуре первичных эксплантов с модификацией клеточного метаболизма, функционированием меристем и морфогенезом растения, которые, в свою очередь, определяются гормональным балансом.

Есть данные о положительном влиянии кустистости и об отрицательном влиянии скороспелости растений картофеля на число побегов в первичном каллусе клубневых дисков. Склонность к образованию многочисленных придаточных корней в природе находит отражение в высоком уровне ризогенеза в каллусной культуре. У гороха отмечен высокий коэффициент корреляции между азотфиксацией (нитрогеназная активность, интенсивность образования клубеньков, число клубеньков) и каллусо- и корнеобразованием.

Предполагается, что общая причина формирования клубеньков на корнях растений и образования каллуса в культуре in vitro заключается в способности генотипа к пролиферации клеток, определяемой балансом фитогормонов. Показана связь между полиэмбрионией семян in vivo и числом соматических эмбриоидов в культуре in vitro у ржи. Выявлено большое сходство при формировании эмбриоидов в семени пиона (Paeonia anomala L.) in vivo и в культуре in vitro (образование эмбриоидов из клеток эпидермиса, характер их развития, форма эмбриоидов и др.).

Отмечена отрицательная корреляция между частотой образования нередуцированных пыльцевых зерен и способностью к андрогенезу в культуре пыльников у картофеля. Возможно, это свидетельствует о сцеплении генов, контролирующих формирование эмбриоидов и первое деление при образовании реституционных ядер.

У раннеспелых сортов в культуре первичного каллуса, полученного из развивающихся зародышей, уровень множественной регенерации растений ниже, чем у позднеспелых. Одной из причин низкого уровня множественной регенерации растений в группе раннеспелых сортов может быть более быстрое развитие зародышей, что определяет более короткий период компетентности их клеток.

В работах, проведенных на злаках, показано влияние на процесс регенерации в культуре in vitro отдельных генов, вовлеченных в контроль гормонального баланса растений. Для пшеницы установлено влияние генов, обуславливающих короткостебельность, и гена, определяющего чувствительность к длине дня на рост каллуса, на соматический эмбриогенез и регенерацию растений. У ячменя выявлена сопряженность высокой регенерационной способности с числом рядов в колосе.

Известно, что древесные, и особенно хвойные, деревья характеризуются медленным ростом, трудно укореняются, содержат большое количество вторичных соединений (фенолы, терпены и другие вещества), которые в изолированных тканях активируются, окисляя фенолы растений, различные фенолазы. В свою очередь, продукты окисления фенолов обычно ингибируют деление и рост клеток, что ведет к гибели первичного экспланта или к уменьшению способности тканей древесных пород к регенерации адвентивных почек, которая с возрастом растения-донора постепенно исчезает полностью. Однако несмотря на все трудности, исследователи все чаще привлекают в качестве объектов исследований различные ткани и органы древесных растений.

В целом исследования влияния отдельных характеристик целого растения на поведение его частей в культуре in vitro малочисленны и фрагментарны.

• 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