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.
Читайте также: Как сшить из остатков ткани наволочки
Метод культуры тканей: сущность и применение
Метод культуры тканей служит одним из главных инструментов современных биотехнологий, позволяя решать практические проблемы физиологии, биохимии и генетики растений. Искусственное выращивание материала проводится с соблюдением определенных условий: стерилизации, температурного режима и с выдержкой в специальной питательной среде.
Сущность
Метод культуры тканей представляет собой их длительное сохранение и/или искусственное выращивание в лабораторных условиях на питательной среде. Эта технология позволяет создать биологическую модель для изучения различных процессов в клетках, существующих вне организма растений, человека и животных.
В основе размножения культуры тканей растений лежит свойство тотипотентности – способности клеток развиваться до целого организма. У животных это реализуется только в оплодотворенных яйцеклетках (за исключением некоторых видов кишечнополостных).
История развития
Первые попытки культивирования растительных тканей предпринимались немецкими учеными на рубеже XIX-XX вв. Несмотря на то, что они оказались неудачными, был сформулирован ряд идей, которые подтвердились в дальнейшем.
В 1922 г. В. Роббинс и В.Котте, независимо друг от друга, смогли вырастить кончики корней кукурузы и томатов на искусственной питательной среде. Детальная проработка техники культуры клеток и тканей началась в 30-е гг. XX в. Р. Готре и Ф. Уайт доказали, что при периодической пересадке тканевых культур в свежую питательную среду они могут расти неограниченно долго.
К 1959 г. в лабораторных условиях выращивалось уже 142 вида растений. Во второй половине XX в. началось также использование диспергированных (разобщенных) клеток.
Типы исследуемого материала
Различают 2 основных вида культур тканей растений:
- Получаемые без разрушения и сохраняющие характерные особенности, присущие живому организму.
- Извлекаемые в результате расщепления (химического, ферментативного или механического) из первичной ткани. Могут формироваться из одной или нескольких клеточных культур.
По способу выращивания выделяют следующие методы:
- на «кормящем слое», при котором вещество, стимулирующее рост тканей, выделяют делящиеся клетки того же вида растений;
- с использованием ткани-«няньки», которая находится рядом с культивируемыми клетками;
- применение питательной среды от обособленной делящейся клеточной группы;
- выращивание отдельных единичных клеток в микрокапле, насыщенной по составу.
Культивирование из отдельных клеток сопряжено с определенными трудностями. Для того чтобы искусственно «заставить» их делиться, они должны получать сигнал от соседних, активно функционирующих клеток.
Одним из основных видов тканей для физиологических исследований служат каллусные, возникающие при неблагоприятных внешних факторах (обычно при механическом травмировании). Они обладают способностью к утрате специфических характеристик, присущих исходной ткани. В результате клетки каллуса начинают активно делиться и образуются части растения.
Необходимые условия
Успешность метода культуры тканей и клеток зависит от следующих факторов:
- Соблюдение стерильности. Для проведения пересадок применяются специальные боксы с подачей очищенного воздуха, оснащенные ультрафиолетовыми лампами. Асептической обработке должны подвергаться инструменты и материалы, одежда и руки персонала.
- Использование специально подобранных питательных сред, содержащих источники углерода и энергии (обычно сахароза и глюкоза), микро- и макроэлементы, регуляторы роста (ауксины, цитокинины), витамины (тиамин, рибофлавин, аскорбиновая и пантотеновая кислота и другие).
- Соблюдение температурного (18-30° С), светового режима и влажности (60-70 %). Большинство каллусных культур тканей выращивают при рассеянном свете, так как они не содержат хлоропластов, но для некоторых растений требуется подсветка.
В качестве питательных сред в настоящее время применяют готовые коммерческие составы (Мурасиге и Скуга, Гамборга и Эвелега, Уайта, Као и Михайлюка и другие).
Читайте также: Ткань ангора состав 100 полиэстер
Достоинства и недостатки
Преимуществами метода культуры клеток и тканей являются:
- хорошая воспроизводимость полученных результатов;
- регулирование межклеточных взаимодействий;
- небольшой расход реагентов;
- генетическая однородность клеточных линий;
- возможность механизации процесса выращивания;
- контроль над условиями содержания клеток;
- низкотемпературное хранение живых культур.
К недостатком данной биотехнологии относят:
- необходимость соблюдения строгих условий асептики;
- нестабильность свойств клеток и возможность их нежелательного смешения;
- дороговизна химических реагентов;
- неполная равноценность культивируемых тканей и клеток в живом организме.
Применение
Метод культуры тканей используется для проведения исследований:
- процессов внутри клеток (синтез ДНК, РНК и белков, обмен веществ и влияние на него с помощью лекарственных препаратов);
- межклеточных реакций (прохождение веществ через клеточные мембраны, работа комплекса гормон-рецептор, способность клеток слипаться друг с другом, формирование гистологических структур);
- взаимодействия с окружающей средой (поглощение питательных веществ, заражение инфекциями, процессы зарождения и развития опухолей и другие);
- результатов генетических манипуляций с клетками.
Перспективными направлениями биологии и фармакологии, при развитии которых используется данная технология, являются:
- получение эффективных гербицидов, регуляторов роста для агрономических культур, биологически активных соединений для применения в производстве лекарственных препаратов (алкалоиды, стероиды и другие);
- направленный мутагенез, выведение новых гибридов, преодоление постгамной несовместимости;
- клональное размножение, которое позволяет получить большое количество генетически идентичных растений;
- выведение вирусоустойчивых и безвирусных растений;
- криоконсервация генофонда;
- реконструкция тканей, создание источников стволовых клеток (тканевая инженерия).
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: 08.02.2022).
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:
— Комната для подготовки, стерилизации и хранения питательных сред.
— Средства для мытья лабораторных изделий, эксплантов.
— Место для хранения лабораторного оборудования.
Читайте также: Лосины женские ткань лапша
— 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