КУЛЬТУРА ТКАНЕЙ РАСТЕНИЯ — способность растительных клеток размножаться на искусственных питательных средах. Основана на выращивании в длительной пересадочной культура тканей растений в виде недифференцированной каллусной массы в стерильных условиях. В природе каллусообразование встречается в основном как реакция на повреждение растения, когда на месте раны образуется нарост, а в культуре ткани все растительные клетки превращаются в каллусные. Каллусы растений легко образуются на эксплантатах из различных органов: отрезков стебля, листа, корня, проростков семян, фрагментов паренхимы ткани клубня, органов цветка, плодов, зародышей и т. д.
При помещении эксплантатов на питательную среду паренхимные клетки дедифференцируются, переходят к делению, образуя однородную недифференцированную биомассу, получившую название каллуса. В асептических условиях каллус отделяют и помещают на поверхность агаризованной питательной среды для дальнейшего роста. В результате получают культуру каллусной ткани, которую можно поддерживать неограниченно долго, периодически разделяя ее на трансплантаты и пересаживая на свежую питательную среду.
Одна из важных особенностей культура тканей растений — сохранение способности к синтезу вторичных веществ, свойственных данному виду, — алкалоидов, гликозидов, эфирных масел, стероидов и др. Эта особенность определяет практическую ценность культура тканей растений в области выращивания биомассы клеток как принципиально нового вида лекарственного сырья. В настоящее время технологии, основанные на культивировании тканей высших растений для получения редких и дорогостоящих веществ, включены в биотехнологические программы, создаваемые в России и во многих странах мира (см. Биотехнология).
Использование технологий, основанных на промышленном выращивании культур тканей продуцентов в качестве лекарственного сырья, имеет ряд преимуществ перед традиционными способами получения сырья. Однако использование такого сырья в фармации экономически выгодно только для продуктов, рыночная стоимость которых достаточно велика на международном рынке.
Культуру тканей растений в настоящее время выращивают главным образом двумя способами: поверхностным — на агаризованных питательных средах или различных гелеобразующих подложках и в жидкой питательной среде. В жидкой питательной среде каллус легко распадается на отдельные агрегаты клеток и дает начало суспензионной культуре. Известны два способа культивирования тканей в жидкой питательной среде: а) накопительное и б) непрерывное.
Важный фактор создания эффективной биотехнологической системы — подбор питательной среды, обеспечивающей потребности культуры ткани продуцента в химических компонентах, необходимых для оптимального биосинтеза целевого продукта. Обязательными компонентами питательных сред служат смеси минеральных солей (макро- и микроэлементов), фитогормоны, выступающие как факторы регуляции процессов клеточного деления и дифференциации, и, поскольку питание культур тканей гетеротрофно, источник углерода вводится в состав среды в виде сахарозы. Получение автотрофных культур тканей — пока задача будущего. При приготовлении питательных сред в качестве подложки используют агар-агар, образующий с водой гель. В последнее время в качестве подложки для культуры тканей растений испытывают и другие гелеобраующие вещества: силикагели, биогели, полиакриламидные гели, пенополиуретан и др.
Культура тканей растения служит источником значительной генетической изменчивости, которую называют сомаклональной. Благодаря этой особенности культуру ткани стали интенсивно использовать в генетико-селекционных исследованиях для улучшения свойств растений. Сомаклональная изменчивость представляет основу для получения клеточных линий и штаммов с высокой биосинтетической способностью. Для увеличения спектра изменчивости используют мутагенез и селекцию на клеточном уровне наиболее продуктивных клеточных линий. Получение мутантных клеточных линий в самом ближайшем будущем будет дополнено методами создания продуктивных штаммов путем гибридизации соматических клеток и генетической инженерии (см. Биотехнология).
В СССР развитие метода культуры тканей лекарственных растений связано с именем Р. Г. Бутенко. С 1967 г. по инициативе И. В. Грушвицкого в создана первая лаборатория культуры тканей лекарственных растений в Ленинградском химико-фармацевтическом институте.
КУЛЬТУРА КЛЕТОК И ТКАНЕЙ РАСТЕНИЙ — ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕКАРСТВЕННОГО СЫРЬЯ
В самом общем смысле культура клеток и тканей (далее — культура тканей) — это искусственное in vitro индуцирование делений клеток или выращивание в пересадочной культуре тканей, возникших путём пролиферации клеток изолированных сегментов разных частей растения.
Основоположниками культуры растительных тканей как новой области биологической науки считаются Ф. Уайт и Р. Готре (начало XX в.). В конце 30-х гг. XX в. был разработан метод выращивания растительных клеток в суспензионной культуре и получения биомассы от единичных клеток, что позволило выделять однородный в генетическом и физиологическом отношении материал.
В странах бывшего СССР освоение метода культуры тканей начато с конца 50-х гг. XX в. и связано с именем Р.Г. Бутенко. В 1967 г. по инициативе И.В. Грушвицкого в Ленхимфарминституте (ныне Санкт-Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия) была создана первая в стране лаборатория культуры тканей лекарственных растений. Позже подобные лаборатории были созданы во Всероссийском институте лекарственных и ароматических растений (ВИЛАР) (Москва) и Томском медицинском институте (ныне Сибирский государственный медицинский университет).
Читайте также: Пункция тканей полости рта
Первоначально разрабатываемый в чисто теоретическом плане метод культуры тканей, начиная с середины 60-х годов XX в., входит в арсенал особого направления научно-производственной деятельности, известного под названием биотехнология. Технологии, основанные на методе культуры тканей, уже помогают создавать новые формы и сорта сельскохозяйственных растений и получать промышленным путём продукты растительного происхождения.
Все объекты, культивируемые in vitro, выращиваются стерильными. Стерилизуются исходные кусочки ткани растений (экспланты), питательная среда; антисептически в специальных боксах стерильным инструментом проводятся манипуляции по выращиванию объектов. Сосуды, в которых культивируются ткани и клетки, закрываются так, чтобы предотвратить инфицирование в течение продолжительного времени.
В культуре тканей лекарственных растений можно выделить три главных направления: получение недифференцированной каллусной массы, создание исходного генетического разнообразия форм растений, а также клеточную селекцию и клональное микроразмножение растений.
В природе каллусообразование — естественная реакция на повреждение растений. В культуре изолированных тканей при помещении экспланта (т.е. фрагмента ткани или органа) на питательную среду его клетки дедифференцируются, переходят к делению, образуя однородную недифференцированную массу — каллус.
В асептических условиях каллус отделяют и помещают на поверхность агаризованной питательной среды для дальнейшего роста. В результате получают культуру каллусной ткани, которую можно поддерживать неограниченно долго, периодически разделяя её на трансплантаты и пересаживая на свежую питательную среду.
Каллусы легко образуются на эксплантах из различных органов и частей растений: отрезков стебля, листа, корня, проростков семян, фрагментов паренхимы, тканей клубня, органов цветка, плодов, зародышей и т.д. Культивирование каллусных клеток проводят главным образом двумя способами: на агаризованных питательных средах или различных гелеобразующих подложках (силикагель, биогели, полиакриламидные гели, пенополиуретан и др.) и в жидкой питательной среде. В жидкой питательной среде каллус легко распадается на отдельные агрегаты клеток и даёт начало так называемой суспензионной культуре.
В разработке нетрадиционных клеточных технологий важное место занимают питательные среды. Они должны обеспечить потребности культуры ткани продуцента в химических компонентах, необходимых для биосинтеза целевого продукта. В состав сред входят смеси минеральных солей (макро- и микроэлементов), фитогормоны (регуляторы процессов клеточного деления и дифференциации), источники углерода в виде сахарозы. Имеют значение температура, освещение, содержание газов и другие условия.
Одна из важных особенностей культуры тканей — сохранение в ряде случаев способности к синтезу продуктов вторичного метаболизма, свойственных интактным растениям данного вида, — алкалоидов, гликозидов, компонентов эфирных масел, стероидов и др.
В культивируемых каллусных клетках, особенно при длительном выращивании in vitro, возникают, сохраняются в клеточных поколениях, а часто и селектируются, т.е. отбираются и начинают преобладать, многочисленные геномные вариации. Эта изменчивость представляет собой основу для отбора клеточных линий и штаммов с высокой биосинтетической способностью (суперпродуцентов). Хотя использование сырья, получаемого при культуре тканей и клеток in vitro, выгодно пока только для тех продуктов, рыночная стоимость которых достаточно высока на международном рынке, тем не менее, биотехнологические программы уже созданы в СНГ и многих странах мира.
Переход от научных разработок к промышленному получению продуктов с использованием клеточных культур только начинается. Однако этим методом уже получают некоторые высокоценные вещества и продукты. В Японии из культивируемых тканей воробейника краснокорневого получают шиконин с широким спектром антисептического действия и убихинон-10 из клеток табака, в Германии — кислоту розмариновую из колеуса. В нашей стране биохимические заводы выпускают клеточную биомассу женьшеня, а также получены высокоаймалиновые штаммы раувольфии змеиной.
Каллусные клетки в культуре тканей in vitro подвержены значительной генетической изменчивости. Изменчивость геномов может приводить к генетическим изменениям у растений-регенерантов, полученных из культуры каллусных клеток, клеточных суспензий или изолированных протопластов. Такие растения получили название сомаклональных вариантов. Сомаклональные варианты, сохраняя основные свойства прототипа, часто выгодно отличаются от него устойчивостью к болезням, экологическим стрессам, а иногда несколько изменённой биосинтетической способностью и более высокой продуктивностью.
Для увеличения спектра изменчивости используют мутагенез (обработка мутагенными веществами), а также селективные условия культивирования клеток. Спонтанно возникшие или индуцированные мутанты в популяции отбираются на устойчивость к созданным жёстким условиям: высоким концентрациям солей, экстремальным температурам, гербицидам, токсинам и др. В результате проведения многих экспериментов удаётся отобрать действительно устойчивые линии и получить растения-регенеранты из стабильной клеточной линии.
Читайте также: Mylon в составе ткани
В СНГ методом клеточной селекции получены клоны: сорта картофеля, устойчивые к высоким концентрациям хлорида натрия, низким температурам, раку картофеля, а также патогену и токсину, вызывающим кольцевую гниль клубней; рис, устойчивый к низким температурам и засолению, и др.
Клеточная селекция — одна из наиболее полезных клеточных технологий для создания сортов не только важнейших сельскохозяйственных, но и лекарственных растений. Работы А.Г. Воллосовича в 70-80-х гг. XX в. с культурой тканей раувольфии змеиной привели к созданию высокопродуктивных аймалинсодержащих штаммов.
В настоящее время интенсивно развиваются работы по созданию высокопродуктивных штаммов и растений-регенерантов методами гибридизации соматических (неполовых) клеток путём слияния протопластов и генной инженерии. Методы соматической гибридизации и генной инженерии пока не получили промышленного развития. Однако учёные считают, что за ними будущее, и генная инженерия станет естественным приёмом при создании нужных человеку форм полезных растений.
Велико значение культуры тканей высших растений для быстрого клонального микроразмножения растений. Клональным микроразмножением называют неполовое размножение растений in vitro, строго идентичных исходному. Этот процесс «миниатюрен» в сравнении с традиционной техникой вегетативного размножения черенками, отводками, усами, прививками, но идёт очень быстро и с высоким выходом посадочного материала. Например, от одной генициали можно получить 10 5 -10 6 растений в год.
В зависимости от условий клетки в культуре in vitro могут делиться анархически, образуя неорганизованную массу, либо менять программу своего поведения и делиться организованно с образованием зачатков корней, стеблей, зародышей, из которых затем можно регенерировать растения.
Легче всего вызвать морфогенез (образование органов и тканей) и регенерацию растения в целом, используя зародыши, почки, а также стеблевые меристемы. Но для получения растений, даже из зародышей, изолированных на ранних стадиях развития, или апикальных меристем стебля очень маленьких размеров нужны дополнительные условия, например, очень богатые питательные среды. Обычно в каждом случае разрабатываются особые условия культивирования и соответствующие питательные среды.
Стеблевая меристема (особенно самая её верхушка), как правило, свободна от вирусной инфекции, микоплазм и возбудителей других инфекций. Поэтому клонирование клеток меристематических верхушек, а затем быстрое клональное размножение здоровых растений — основа технологии получения безвирусного посадочного материала картофеля, плодовых, ягодных, декоративных и лекарственных растений.
Велико значение технологии клонального микроразмножения в селекции растений. Можно быстро размножить уникальный генотип или новый сорт, что ускоряет его практическое использование. В настоящее время найдены условия размножения более 500 экономически важных или исчезающих видов дикорастущих растений. Многие из них размножаются уже в производственных условиях. Что касается лекарственных растений, технологии клонального микроразмножения разработаны в отделе биологии клетки и биотехнологии Института физиологии растений РАН для мандрагоры туркменской, кирказона маньчжурского, женьшеня, в Санкт-Петербургской химико-фармацевтической академии — для ряда видов раувольфии, в ВИЛАРе — для стефании гладкой.
Культура клеток, тканей и органов растений
Дата публикации: 07.11.2021 2021-11-07
Статья просмотрена: 17 раз
Библиографическое описание:
Алшеркызы, Гаухар. Культура клеток, тканей и органов растений / Гаухар Алшеркызы. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 45 (387). — С. 133-135. — URL: https://moluch.ru/archive/387/85261/ (дата обращения: 09.02.2022).
Данная статья посвящена основным технологиям культивирования тканей растений, истории открытия, рекомендации по организации лаборатории для проведения исследований по культуре тканей, приведены методики работы в асептических условиях. Описаны основные методы и принципы культивирования. За последние пять десятилетий были достигнуты значительные успехи в области культуры растительных клеток, тканей и органов. В настоящее время протоколы культуры клеток, тканей и органов растений используются во всех областях исследований и разработок биотехнологии растений.
Ключевые слова: питательная среда, клетка, культура, растение, среда, ткань.
Культура тканей растений представляет большой интерес для молекулярных биологов, селекционеров растений и даже для промышленников, поскольку она помогает улучшить растения, имеющие экономическое значение. В дополнение ко всему этому культура тканей вносит огромный вклад в понимание закономерностей и ответственных факторов роста, метаболизма, морфогенеза и дифференциации растений. [1]
Читайте также: Основная функция проводящей ткани листа
Считается, что немецкий ботаник Готлиб Хаберланд был первым человеком, который культивировал изолированные, полностью дифференцированные клетки в 1898 году . Это был самый первый шаг к началу выращивания растительных клеток и тканей. [2]
Таким образом, в течение длительного времени эмпирический подход являлся практически единственным методом при работе с изолированными клетками и тканями растений. Его невысокая эффективность привела исследователей к пониманию необходимости изучения биологии культивируемых объектов на всех уровнях — молекулярном, субклеточном, клеточном и тканевом, без чего невозможна разработка практически важных технологий. [2]
Основными требованиями к культуре тканей растений являются:
1) Организация лаборатории
Во-первых, в стандартной лаборатории тканевых культур должно быть несколько основных помещений:
— Комната для подготовки, стерилизации и хранения питательных сред.
— Средства для мытья лабораторных изделий, эксплантов.
— Место для хранения лабораторного оборудования.
— Помещения для культивирования или инкубаторы, в которых можно поддерживать температуру, влажность, свет и т. д.
— Зона наблюдения и сбора данных.
Во-вторых, устанавливаются отдельные обязательные требования к асептическим условиям в лаборатории. Поддержание асептических условий — самый важный и сложный аспект экспериментов по культивированию in vitro
Исходя из этого, необходимо иметь полные асептические условия для и вокруг аппарата культуры, стеклянной посуды, среды и т. д. для предотвращения загрязнения питательной среды. Из-за загрязнения в среде растут микроорганизмы, что в конечном итоге убивают растительную ткань. Размеры стерилизационной комнаты должны составлять 6 × 6 × 4,5 кв. м. В помещении должен быть автоклав. В случае отсутствия автоклава можно также использовать скороварку. При проведении экспериментов с культурой тканей в лаборатории должны быть аптечки и огнетушители, чтобы избежать несчастных случаев. Кроме того, при обращении с токсичными химикатами следует уделять должное внимание. Должны храниться в контейнерах и бутылках с правильной маркировкой. [3]
Общая методика выращивания растительных клеток, тканей и органов практически одинакова, с небольшими вариациями для разных растительных материалов. Существуют определенные основные этапы восстановления полноценного растения из эксплантата, выращенного на питательной среде.
К общераспространенным методам культивирования на сегодня относятся: клональное микроразмножение, соматический эмбриогенез.
Микроразмножение начинается с отбора растительных тканей (эксплантата) из здорового, сильного материнского растения. Любая часть растения (лист, апикальная меристема, почка и корень) может использоваться в качестве эксплантата.
Существует много методов клонального микроразмножения, и различными авторами предлагаются разные системы их классификации. (рис 1.)
Рис. 1. Схема микроклонального размножения растений: 1 — активация развития меристемы; 2 — образование адвентивных почек непосредственно на первичном экспланте; 3 — индукция соматического эмбриогенеза в каллусе и суспензионной культуре; 4 — образование адвентивных почек в каллусной ткани: а — получение стерильной культуры; б — формирование микропобегов и развитие соматических эмбриоидов; в — укоренеие микропобегов и образование искусственных семян; г — перевод растений–регенерантов в тепличные условия с последующей высадкой в поле. [3]
Соматический эмбриогенез широко используется в качестве важного биотехнологического инструмента для устойчивого клонального размножения. Это процесс, при котором соматические клетки или ткани развиваются в дифференцированные эмбрионы. Эти соматические зародыши могут развиваться в целые растения, не подвергаясь процессу полового оплодотворения, как это происходит у зиготических зародышей. Соматический эмбриогенез может быть инициирован непосредственно из эксплантатов или косвенно путем создания массы неорганизованных клеток, называемых каллусом. Регенерация растений посредством соматического эмбриогенеза происходит путем индукции эмбриогенных культур из зиготических семян, листьев или сегментов стебля и дальнейшего размножения эмбрионов. Затем зрелые зародыши культивируются для прорастания и развития проростков и, наконец, переносятся в почву.
В настоящее время способность выращивать клетки растений и ткани в культуре и контролировать их развитие составляет основу многих практических приложений в сельском хозяйстве, промышленной химии, садоводства и является предпосылкой для генной инженерии растений. Культура клеток, тканей и органов растений теперь считается основной техникой для понимания общих или специфических биологических функций растительного мира, и это одна из самых гибких основ морфологических, физиологических и молекулярно-биологических применений растений.
Сегодня культура тканей в значительной степени интегрирована в биотехнологию и позволяет регенерировать растения в виде клонов и трансгенов.
Таким образом, каллусные и клеточные суспензии становятся менее важными в качестве исходного материала для определенных ферментов и химических веществ. Изменение целей требует изменения способа обработки культуры растительных тканей.
- 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