Несмотря на успехи, достигнутые в области использования различных микроорганизмов, микробная биотехнология имеет целый ряд существенных недостатков. Прежде всего это невозможность получения целых классов жизненно важных для человека соединений, таких как алкалоиды, стероиды, многие полифенолы и терпеноиды, поскольку в природных сообществах микроорганизмов не найдены продуценты этих веществ. По той же причине ограничены и возможности биотрансформационных процессов с участием микроорганизмов.
Другим объектом биотехнологического производства, помимо одноклеточных микроорганизмов могут выступать специально культивируемые клетки и ткани высших растений и животных. Эта область биотехнологии стала развиваться относительно недавно, последние 30-40 лет. Однако идеи и первые попытки их реализации возникли еще в конце XIX века.
В конце XIX — начале XX в. немецкие ученые X. Фехтинг (1892), С. Рехингер (1893), Дж. Хаберландт (1902) сделали первую неудачную попытку стимуляции роста растительных тканей и органов, помещенных на фильтровальную бумагу, пропитанную сахарозой. Несмотря на отсутствие положительного результата, их работы представляют большой интерес. В них были высказаны идеи, которые намного опередили развитие науки того времени и которые нашли свое подтверждение несколько десятилетий спустя. Так, Фехтинг предположил, что полярность присуща не только организму или органу растения, но и самой клетке. Рехингер определил минимальный размер сегмента, образующего каллус. Согласно его исследованиям, в кусочках ткани тоньше 1,5-2,0 мм клетки не делились. Хаберланд впервые четко сформулировал идеи о возможности культивирования in vitro изолированных клеток растений и о тотипотентности клеток, т. е. способности любой соматической клетки полностью реализовывать свой потенциал развития. Иначе говоря, о способности каждой растительной клетки давать начало целому организму.
Первые успехи были получены в 1922 г. американским ученым В.Роббинсом и немецким ученым В. Котте. Независимо друг от друга они показали возможность выращивания меристем кончиков корней томатов и кукурузы на синтетической питательной среде. Считается, что их работы легли в основу метода культуры изолированных корней растения.
В 1907г. Р.Гаррисон открыл новый путь изучения живой клетки многоклеточных организмов, показав, что клетки зачатка нервной системы зародыша лягушки в капле лимфы остаются живыми, дифференцируются, из них вырастают нервные волокна. Этим было положено начало созданию метода культуры животных клеток, который, главным образом благодаря работам Карреля, послужил мощным толчком к дальнейшему развитию цитологии и биотехнологии. Метод культуры клеток используется и развивается в самых различных направлениях. С его помощью был, прежде всего, получен очень важный результат; было доказано, что, подобно бактериям и простейшим, клетки многоклеточных организмов могут развиваться в культуре в течение неопределенно долгого времени. Каррелевская культура клеток сердца эмбриона курицы поддерживалась путем пересевов в питательной среде, содержащей эмбриональный экстракт и плазму крови, с 1912 по 1946 г, за что ученый был удостоен Нобелевской премии.
Дальнейшие успехи в разработке метода культур клеток были обуслов-лены, главным образом, созданием и усовершенствованием питательных сред, содержащих необходимые для жизни клеток вещества. Настоящее развитие метода культуры тканей и клеток высших растений началось в 1932 г. с работ французского ученого Р. Готре и американского исследователя Ф.Уайта. Они показали, что при периодической пересадке на свежую питательную среду кончики корней могут расти неограниченно долго. Кроме того, ими были разработаны методы культивирования новых объектов: тканей древесных растений камбиального происхождения, каллусных тканей запасающей паренхимы (Р. Готре), а также тканей растительных опухолей (Ф.Уайт). С этого момента начинаются массовые исследования по разработке новых питательных сред, включающих даже такие неконтролируемые компоненты, как березовый сок или эндосперм кокоса, и по введению в культуру новых объектов. К 1959г. насчитывалось уже 142 вида высших растений, выращиваемых в стерильной культуре.
В 1955 г. после открытия Ф. Скугом и С. Миллером нового класса фитогормонов — цитокининов — оказалось, что при совместном их действии с другим классом фитогормонов — ауксинами — появилась возможность стиму-лировать деление клеток, поддерживать рост каллусной ткани, индуцировать морфогенез в контролируемых условиях.
Читайте также: Характеристика крови как вида ткани
Основы использования клеток человека и животных в биотехнологии были заложены в 1949 г, когда группе американских ученых удалось вырастить вирус полиомиелита в культивируемых клетках кожи и мышц человеческого зародыша. Теперь уже не представляет проблемы производство в ферментерах клеточных культур, содержащих вирус. Существуют клетки, которые используют для выращивания: вирусов во всем мире. Это клетки HeLa (карцинома шайки матки человека), BHK-2I (почка эмбрионов хомяка) и Vero (почка зеленой мартышки). Благодаря применению метода клеточных культур вирусы стали выделять в чистом виде, что позволило усовершенствовать методы диагностики вирусных заболеваний и самое главное — получить вакцины, такие, например, как против ящура, оспы, кори, полиомиелита.
Культуры клеток, тканей или органов широко использовались и используются сейчас в научных исследованиях. Они являются методом сохранения жизнеспособности или выращивания вне организма отдельных клеток, а также организованных структур (ткани, органы, эмбрионы) сохраняющих свою дифференцировку. С того времени, как ученые нашли способ выделения чистых клеточных линий, метод культуры клеток стал идеальным способом изучения строения и свойств живых клеток. Культуры клеток, получаемые современными методами, представляют собой гомогенные популяции генетически однородных клеток, растущих в постоянных условиях.
Культивируемые клетки дают возможность изучать прижизненное (витальное) состояние клеток методом микроскопии. На животном или растении можно определить состояние клеток организма только в конце эксперимента, удалив клетки из организма животного. С помощью культур клеток изучают межтканевые и межклеточные взаимодействия, дифференцировку, рост, деление клеток, их вирусную трансформацию, особенности обмена веществ в живых клетках, потребности их в питании, методы клонирования и хранения, чувствительность к различным веществам, в том числе лекарствам, ядам. Культуры клеток обеспечивают реальные значения скорости включения и метаболизма исследуемых соединений в клетках, поскольку отсутствует метаболизм этих веществ печенью, запасание их в мышцах, экскретирование почками. На клетках культур делают различные операции: удаляют части клетки, вводят в нее вирусы, проводят генетические эксперименты. Органные культуры используются при изучении закономерностей развития зачатков органов в норме и в эксперименте, при совместном культивировании органов от разных особей одного или нескольких видов, а также для изучения способов сохранения жизнеспособности изолированных органов и тканей, предназначенных для пересадки (трансплантации).
Культуры клеток животных и человека могут служить и уже служат идеальным источником различных биологически активных веществ: ферментов, антигенов, онкогенных и моноклональных антител, гормонов, инсулина, интерферона. Многие из этих препаратов, например, половые гормоны, инсулин, интерферон, антитела, получаемые от животных, или генноинженерными методами из микроорганизмов не обладают достаточной специфичностью или алергенны, поэтому малоэффективны для человека.
Однако попытки получения полезных веществ с помощью культур клеток часто заканчиваются неудачей. Многие клетки животных и особенно человеческие плохо размножаются в культуральной среде, а если и растут, то в большинстве случаев теряют способность к синтезу специфического продукта. Поэтому основным направлением исследований в настоящее время является разработка методов культивирования, позволяющих клеткам сохранять и усиливать ценные специфические функции, в течение длительного времени выращивания. Одними из самых эффективных методов получения стабильных, долго живущих и относительно неприхотливых к условиям культивироввания клеточных культур является их трансформация (обработка некоторыми химическими реактивами или инфицирование их онковирусами) или получение гибридных клеток (гибридом) путем слияния их с некоторыми опухолевыми клетками.
Читайте также: Дорожные знаки своими руками из ткани
В отличие от вышесказанного, промышленная реализация возможностей культивирования клеток и тканей растений достигла в настоящее время гораздо больших результатов. Во многих странах запущены промышленные производства лекарственных веществ, красителей, витаминов, основанные на различных способах культивирования растительных клеток. Начало было положено японскими фирмами, запустивших в начале 80-х годов ХХ века промышленное производство красителя шиконина и убихинона-10. В СССР было налажено промышленное производство биомассы клеток женьшеня.
Использование культур клеток и тканей как источника сырья для производства различных первичных и вторичных метаболитов имеет целый ряд преимуществ, по сравнению с традиционно используемыми источниками (дикие и культурные растения и животные, живые люди-доноры и органы, извлекаемые из трупов).
1.Возможность круглогодичного выращивания необходимого количества биомассы клеток и тканей.
2.Независимость от климатических и географических факторов.
3. Быстрота накопления целевого продукта (многие растения и животные растут и развиваются в течение десятков лет (женьшень)).
4. Стандартность и более высокое качество сырья.
5. Освобождение земельных площадей, техники и людей, занятых в сельском хозяйстве.
6. Возможность автоматизации и механизации технологических процессов, снижение доли ручного труда.
7. Освобождение страны от импорта сырья.
8. Сохранение редких и исчезающих видов животных и растений, улучшение экологической обстановки.
Существует 3 основных направления создания новых технологий на основе культивируемых клеток и тканей растений. Первое из них – использование результатов исследования биологии растительной клетки и методов клеточной и генной инженерии для генетического изменения клетки и получения на ее основе нового растения. Второе – получение ценных биологически активных веществ растительного происхождения в промышленных масштабах путем культивирования клеток и тканей растений. Третье –использование культур клеток и тканей для быстрого микроклонального размножения и оздоровления растений.
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: 10.02.2022).
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]
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:
Читайте также: Виды тканей для одежды которые тянутся
— 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