Селекция методом культуры клеточных тканей и клеток
Введение культуры клеточных тканей и клеток (метод in vitro) может способствовать созданию лучших сортов, более быстрому использованию ценного материала и уникальных форм. В стерильную культуру тканей и клеток в принципе возможен перевод всех частей растений, однако для исследований в области селекции имеет значение культура только таких органов, в которых можно индуцировать органогенез. К ним можно отнести верхушки побегов (апикальная меристема и дифференцированные ткани побега); цветковые почки, завязи, семяпочки; пыльники, пыльца; зародыш; клетки; ткань каллуса.
Применение метода охватывает следующие этапы работы: выбор подходящего для решения поставленной задачи сорта (генотипа) и нужной части растения для закладки культуры; закладка стерильной культуры; создание условий (питательная смесь, температура, освещение и др.) для стимуляции желательного процесса развития; регенерация жизнеспособных растений; перевод отобранных для селекции растений в грунтовую культуру для включенияих в дальнейший селекционный процесс.
Задачи, решаемые этим методом в селекции, можно сгруппировать в три взаимно связанные группы: 1) расширение генетической базы селекции растений путем получения нового исходного материала; 2) сохранение и размножение ценных элитных растений и линий; 3) получение и сохранение безвирусного материала растений. Ниже перечислены некоторые конкретные методы, которые можно использовать для решения этих задач.
Расширение генетической базы для селекции растений. Обычные методы селекции, основанные на внутривидовой гибридизации и отборе, как правило, ведут к обеднению генетической изменчивости и сужению генетической базы, что влечет за собой потерю устойчивости создаваемых генотипов и их популяций. Эффективность селекции в будущем можно обеспечить только путем постоянного расширения ее генетической базы, что можно осуществить методами культуры тканей и клеток. Для этого используют методы соматической межвидовой гибридизации, оплодотворения и эмбрио-культуры, культуры пыльников, пыльцы и отдельных клеток in vitro и сомаклональной селекции.
Сохранение и размножение in vitro ценных элитных растений и линий применяется с целью получения генетически идентичных клонов. При этом обеспечивается:
• сохранение и размножение отдельных генотипов как исходных форм для решения специфических селекционных задач;
• быстрое эффективное размножение новых ценных сортов;
• сохранение и эффективное размножение линий для производства гибридных семян растений;
• экономичное размножение высокопродуктивных генотипов лесных пород, декоративных древесных растений и подвоев плодовых культур;
• размножение в стерильных условиях при получении безвирусного материала;
• сохранение сортимента вегетативно размножающихся культур и важнейших перекрестноопыляющихся растений.
Для осуществления этих задач используются методы клонирования на основе меристем верхушек побегов в стерильных условиях, а также регенерации жизнеспособных растений из других органов (стеблей, кусочков листа, органов цветка, луковиц и др.).
Получение и сохранение безвирусного материала. Эти методы получили распространение в практике сельского хозяйства для освобождения от вирусов вегетативно размножаемых растений. Установлено, что концентрация вирусов в растении снижается по мере приближения к конусу нарастания. Сам конус нарастания часто бывает свободным от вирусной инфекции. Это и было использовано для оздоровления материала путем изолирования меристемы в стерильных условиях и доведения ее до дифференциации in vitro. Изоляция меристемы размером 0,05-0,1 мм очень сложна. И успех дифференциации растений из нее невелик. Поэтому вместе с ней изолируют первые листовые примордии и тогда говорят о верхушке побега, которая имеет размер 0,1-1 мм. Благодаря этому хотя и ограничивается надежность получения безвирусного материала, но зато повышается степень его дифференциации. Кроме того метод становится удобным для практического использования. Культивирование производят на питательных средах Мурасиге и Скуга (см. табл. 10.1), Байса, Уайта и Хеллера.
Читайте также: Покровные ткани водных растений
Кратко рассмотренные в настоящем разделе методы широко распространены в мире и продолжают совершенствоваться. Так,понекоторым данным (Г.П. Бутова, 1995 и др.), к началу 90-х годов в 15 странах Европейского сообщества работало более 250 лабораторий культуры in vitro, из которых примерно половина в коммерческих целях. Из 550 возделываемых in vitro видов значительное количество составляли древесные и кустарниковые. При этом розой занимались в 45 лабораториях, рододендроном — в 25, березой — в 19, дубом — в 18, тополем — в 12, сосной и елью — в 15.
В США насчитывается 270 промышленных лабораторий, в том числе и по древесным породам. В середине 80-х продукция растений, размноженная методом культуры тканей, составила: 50 млн. штук в США, 53 млн. штук в Голландии, 10 млн. штук в ФРГ, около 28 млн. штук в Италии.
В бывшем СССР и в России получением селекционного материала этими методами успешно занимались ряд научных лабораторий Москвы, Санкт-Петербурга, Воронежа, Уфы, Мичуринска и др. Однако в последние годы масштабы исследований сократились, хотя перспективность их остается несомненной.
В целом, культура тканей предоставляет новые возможности для повышения эффективности селекции растений. Кроме того, с ее помощью можно создавать новые ценныесорта.
Методы селекции лесных древесных пород, описанные в настоящей главе, начали развиваться относительно недавно. Поэтому они и названы в отличие от отбора и гибридизации, нетрадиционными. Стартовые исследования для части из них были начаты в первой половине XX века, но основные успехи достигнуты во второй половине этого века. В последние годы получила развитие идея сочетания традиционных и нетрадиционных методов для более успешного выведения хозяйственно ценных форм.
Однако, несмотря на прогресс селекции, достигаемый этими методами, широкому их практическому использованию препятствует ряд проблем. Они заключаются в том, что эти методы довольно дорогие, требуют специально оборудованных лабораторий, приборов и расходных материалов. Кроме того, как и для новых гибридов и отдельно отобранных лучших деревьев, существуют трудности массового размножения ценных форм трудно черенкующихся видов. С другой стороны, использование метода культурыклеток и клеточных тканей позволит преодолеть и этот барьер. Например, успешные опыты по клеточной репродукции дуба проведены во Франции. Поэтому необходимы более активные усилия по разработке методов вегетативного и клонального микроразмножения трудно черенкующихся форм лесных древесных пород.
Одним из способов преодаления проблемы является также создание биклоновых семенных плантаций из диплоидных и тетраплоидных растений с целью получения хозяйственно ценных триплоидных форм. В будущем возможна разработка и других эффективных методов сохранания и размножения ценных генотипов лесных древесных пород, выведенных нетрадиционными методами селекции.
Вопросы для самопроверки
1. Охарактеризуйте виды мутаций, используемые в селекции.
2. Что такое полиплоидия и её возможности в селекции лесных древесных пород?
3. Дайте краткую характеристику метода культуры тканей и его использования в селекции лесных древесных пород.
4. Покажите возможности и направления экспериментального мутагенеза.
5. Опишите физические методы получения мутантов, ионизирующие и неионизирующие излучения.
Читайте также: Черепно мозговая травма ушиб мягких тканей
6. Приведите результаты, полученные у лесных древесных пород при использовании физических методов мутагенеза.
7. Охарактеризуйте химические методы получения мутантов, приведите классификацию мутагенов и результаты их применения у лесных древесных пород.
8. Опишите экспериментальную полиплоидию лесных древесных пород. Приведите характеристики митотического, мейотического и зиготического методов получения полиплоидов.
9. Что такое спонтанные и индуцированные полиплоиды лесных древесных пород? Приведите примеры.
10. Охарактеризуйте селекцию методом культуры клеток и клеточных тканей in vitro:
11. Приведите некоторые результаты использования методов культуры тканей у лесных древесных пород.
12. Укажите основные проблемы практического использования нетрадиционных методов селекции и пути их преодоления.
Дата добавления: 2017-08-01 ; просмотров: 1961 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Культура тканей
Уже в начале XX века Хаберландт указал на тотипотентность соматических клеток растений и возможность получать растения с помощью культуры тканей. Однако потребовалось более полувека, прежде чем удалось овладеть методами выращивания in vitro суспензии клеток, гормональной регуляции роста и формирования органов, а также регенерации целого растения. Первые успехи были достигнуты с культурой ткани моркови (рис. 20.1) и гибридов табака.
Благодаря проведенным исследованиям соответствующих методов экстрагирования растительных клеток и тканей удалось вызывать ускоренное деление клеток и получать гомогенную ткань каллуса. Такую ткань далее выращивают на питательной среде, которая, помимо других компонентов, содержит гормоны роста — ауксины, стимулирующие рост корней, и цитокинины, вызывающие рост конуса нарастания; в результате получают целое растение. (Перечень видов, из культуры тканей которых удалось регенерировать целые растения, приведен в работе Вэсила и др.) Работа с однолетними растениями, плодовыми культурами и злаковыми травами оказалась более успешной, чем с многолетниками, бобовыми культурами и лесными породами. Культура меристематических тканей стала уже стандартным методом клонового размножения орхидеи и других садовых растений. Огромное преимущество этого метода заключается и в том, что с его помощью получают материал, не зараженный вирусами, бактериями или грибами, в значительной степени осложнявшими процессы размножения в прежние времена.
Особое значение имеет клоновое размножение с использованием метода культуры тканей для лесных пород, характеризующихся продолжительным развитием поколений. Получать растения древесных видов с помощью культуры тканей растения достаточно трудно, но это удалось в опытах с тополем и сосной.
Культуру зародыша применяют уже довольно давно как метод получения межвидовых и межродовых гибридов, у которых удается осуществить скрещивание, но семена погибают из-за недоразвитости эндосперма.
Культура пыльника и пыльцы. У большинства видов регенерацию целого растения легче осуществить из гаплоидных тканей, чем из диплоидных. Кроме того, в клетках гаплоидных тканей содержится только один набор хромосом и при определенных обстоятельствах могут появиться рецессивные мутации; поэтому в данном случае намного легче вызвать спонтанные или индуцировать новые мутации.
Поскольку частота появления гаплоидных растений в природе весьма низка (см. главу 18), их получают путем культуры пыльников и пыльцы. У значительного числа видов покрытосеменных удалось с помощью культуры пыльника вырастить каллус или эмбриоид, особенно в семействах Solanaceae и Gramineae, однако лишь у небольшого числа видов из каллуса удалось регенерировать целое растение — табак, капуста, томаты, райграс, рис, пшеница, тополь, петуния и др. (перечень примеров с указанием литературы см. в работе Вэсила и др.).
Читайте также: Ткань полоска с вензелями
Лишь 0,5-5% пыльцевых зерен проходит андрогенез в максимальных условиях культуры, однако если учесть, что только в одной чашке Петри находится огромное число пыльцевых зерен, успех в получении каллуса может быть удовлетворительным. Андрогенез чаще всего протекает в ходе митотического деления вегетативных клеток микроспор, что и приводит к развитию гаплоидных растений. Поскольку пыльцевое зерно содержит еще и два генеративных ядра, а некоторые виды к тому же представляют собой природные полиплоиды, среди регенерантов наряду с гаплоидами появляются и растения с разными уровнями полиплоидии, развивающиеся в результате слияния ядер или эндомитоза. Это, естественно, создает трудности, так как истинных гаплоидов получить не удается.
Следует подчеркнуть большие успехи с культурой пыльников пшеницы, риса и других растений, достигнутые в Китае. Во-первых, разработана очень благоприятная питательная среда для развития пыльцевых зерен, что позволяет получать каллусы и выращивать целые растения. Во-вторых, определена оптимальная фаза развития для культуры пыльников — середина унинуклеарной стадии с температурой 28-30°С. Особое значение имеет и получение наряду с гаплоидами значительного числа спонтанных диплоидов. Это позволило прийти к выводу, что растения F1, полученные из пыльников, весьма пригодны для работы и с их помощью можно быстро создавать гомозиготные линии.
По личному сообщению д-ра Тсун Вена (1981), методика культуры пыльников пшеницы вкратце сводится к следующему. На питательную среду высевают приблизительно 100 000 пыльников растений пшеницы F1, получая около 5000 (5%) зеленых растений, развивающихся из 5000 различных групп каллусных клеток.
Из этих растений регенерируют:
— около 3000 (60%) растений-гаплоидов (Зx);
— около 500 (10%) растений-гетероплоидов, включая и нуллисомики;
— около 1500 (30%) растений-диплоидов (6x).
Из 1500 диплоидных растений около 150 (10%) гетерозиготно по меньшему числу генных каллусных клеток, а
1350 (90%) полностью гомозиготно.
Диплоидные растения возникают при спонтанном удвоении хромосом. Поскольку они появляются с относительно высокой частотой к общему числу растений из пыльцы, их используют для создания чистых линий; при этом отпадает потребность в обработке гаплоидных растений (Зх) колхицином с целью удвоения числа хромосом.
Пыльца растения F1 в действительности представляет поколение F2, таким образом за один год удается получить большое число гомозиготных линий, которых в противном случае необходимо ожидать в течение шести поколений. Следовательно, данный метод культуры пыльника может оказаться очень полезным при сокращении сроков ведения селекции; если бы удалось решить и технические проблемы, он смог бы найти массовое применение.
Получение гаплоидных растений преследует главную цель — создание гомозиготных диплоидных линий для использования гетерозиса; оно помогает решить и другие задачи, позволяя избегать длительного процесса инбридинга. Метод культуры пыльников дает возможность выводить гомозиготные линии и у автонесовместимых видов, что имеет огромное значение для многолетних растений, особенно для лесных пород. Существуют и иные возможности использования гаплоидов, о чем уже говорилось в главе 18.
Культивирование взятых в отдельности клеток (сахарный тростник и др.) позволило бы обнаружить спонтанные и индуцированные мутации, из которых наибольшее число, как правило, элиминирует в процессе отбора на диплоидном и гаплоидном уровне и которые никогда не удается выделить. Вероятно, этот метод будет способствовать более активному использованию мутаций непосредственно в селекции растений.
- 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