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.
Читайте также: Sanderson ткань с утками
В качестве питательных сред в настоящее время применяют готовые коммерческие составы (Мурасиге и Скуга, Гамборга и Эвелега, Уайта, Као и Михайлюка и другие).
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).
Размножение растений в культуре ткани
Методы клонального микроразмножения разрабатывались в основном для травянистых растений, так как ткани древесных культур оказались трудным объектом для культивирования. В последнее время возрос интерес к использованию культуры тканей для клонального размножения культурных и дикорастущих деревьев. Это объясняется:
1) при обычном размножении семенами в большинстве случаев возникает нестабильное в генетическом отношении потомство;
2) древесные обладают длительной ювенильной фазой роста и цветение и плодоношение у них наступает нескоро;
3) обычные методы вегетативного размножения часто малоэффективны, особенно для особей старше 10-15 лет.
Размножение древесных растений. В качестве эксплантата при культивировании тканей древесных растений часто используют внутрипучковый камбий, в котором обычно отмечают высокое содержание эндогенных цитокининов. Образование и рост каллуса в этих случаях может происходить на средах, лишенных экзогенных цитокининов, а иногда даже и ауксинов. Регенерации растений из клеток каллуса у древесных добиться гораздо труднее, чем у травянистых, а если они регенерируют, то часто оказываются слабыми и нежизнеспособными. Считается, что причиной этого может быть недостаточное образование вторичных сосудистых элементов в корнях и побегах, возникающих из каллуса, а также невозможность установить функциональную связь между сосудами стебля и корня. Часто критическим фактором является пересадка в почву регенерантов. Поэтому здесь особенно важна закалка растений перед высадкой в почву.
Читайте также: Луб ткань растений функции
Для размножения древесных часто в качестве эксплантов используют точку роста побега или вегетативную почку. Использование почки имеет ряд преимуществ:
1) почка представляет собой уже сформированный рудиментарный побег;
2) почки древесных хорошо защищены чешуей, и поэтому из них легче получить стерильную культуру;
3) почки древесных сравнительно легко укореняются. Культуру почек используют для размножения многих древесных, в том числе эвкалипта, кофе, масличной пальмы, сосны, вяза, яблони, смородины, и многих других древесных и кустарниковых пород.
Для некоторых видов применяется специфическая методика культуры тканей. Например, для размножения ольхи используется каллус эпикотиля и верхушки побега, березы – каллус стебля и пыльников, сосны обыкновенной – хвоя и т.д. (Царев и др., 2002).
Благодаря технике in vitro в настоящее время размножено более 200 видов древесных растений. При этом удается клонировать 30-40 и даже 100-летние деревья дуба. Так как для практических работ в лесном хозяйстве целесообразно размножать древесные растения в возрасте старше 20 лет и более (после проведения оценки по хозяйственно-ценным признакам), то проводят омоложение «реювенилизацию» таких отселектированных экземпляров (обработка цитокинином и др. стимуляторами роста, повторное черенкование или прививки, частая декапитация деревьев и др.).
Ведутся успешные исследования по разработке методов размножения в культуре ткани хвойных древесных пород (таблица 1).
Таблица 1 — Хвойные породы, размноженные in vitro (приведена по Е.А. Калашниковой и др., 2001)
| Вид | Происхождение экспланта | *Метод размножения | Укоре-нение |
| Семейство Сосновые | |||
| Пихта бальзамическая | Побеги | — | |
| Лиственница даурская | Почки | 1, 2 | + |
| Сосна об. | Зародыши, семядоли, пучок хвои | 1, 3 1, 2 | — — |
| Ель об. | Зародыши, гипокотиль, почки, хвоя, стебель | 1, 3, 4 | — — |
| Ель колючая | Почки | — | |
| Сосна кедровая сибирская | Зародыши | — | |
| Псевдотсуга тисолистная | Зародыши, семядоли, почки, стебли | 1, 4 1, 2 | + + |
| Тсуга западная | Семядоли | — |
| Семейство кипарисовые | |||
| Биота восточная | Гипокотиль | — | |
| Можжевельник многоплодный | Верхушка побега, стебель | 1, 3 | — |
| Туя западная | Зародыш, Верхушка побега | + — | |
| Семейство таксодиевые | |||
| Секвойя вечнозеленая | Зародыш | 1, 3 | + |
* 1 – образование адвентивных почек,
2 – клонирование микрочеренков,
3 – дифференциация почек в каллусе,
4 – соматический эмбриогенез в каллусе
Размножение злаковых. Методы культуры тканей растений для клонального размножения злаков до сих пор не имеют широкого применения. Лишь у сахарного тростника в настоящее время размножение в промышленных масштабах связано с культурой in vitro. У других злаков эффективность морфогенеза слишком низка и нестабильна для того, чтобы использовать это явление для клонального размножения. Наибольшие успехи достигнуты в регенерации из каллуса растений риса, имеются данные о регенерации растений кукурузы, ржи, проса, ячменя, тимофеевки и т.д. Имеется несколько данных о применении культуры меристемы для размножения ячменя, пшеницы.
Размножение овощных и ягодных культур. У многих овощных культур их промышленное производство основано на гетерозисных гибридах. Создание родительских линий, их размножение и сохранение генетической однородности вегетативным путем можно обеспечить клонированием in vitro. Среди овощных растений работа в этом направлении ведется с картофелем, капустой, спаржей, чесноком, томатами, сахарной свеклой и другими культурами.
Картофель, который не размножают семенами из-за большой гетерозиготности, в настоящее время успешно размножают в культуре ткани самыми различными методами: 1) культурой апикальной меристемы; 2) индукцией придаточных побегов и органов непосредственно из клеток эксплантата; 3) через каллус. Причем эксплантатом может служить почти любая часть растения. С помощью культуры меристемы за 7-8 месяцев удается оздоровить сорт и получить с исходного растения до 30-40 тыс. клубней.
Читайте также: Какие есть огнеупорные ткани
Успешно идет размножение в культуре in vitro томатов (у которых почти из всех надземных частей можно получить каллус и регенеранты); капусты (у красной капусты получены растения из корней, стеблей, семядолей, листьев и каллуса).
Из ягодных культур наибольшие успехи достигнуты у земляники, которая в настоящее время размножается в культуре ткани в промышленном масштабе. Размножают землянику как культурой in vitro почек, так и путем регенерации из каллуса. Культивируя почки, Боксусу удалось получить за год из одного материнского растения до нескольких миллионов безвирусных потомков.
Размножение декоративных культур. Работы по клональному микроразмножению декоративных культур широко ведутся во многих лабораториях мира. Ведется работа по оздоровлению и клональному размножению селекционных сортов гвоздики, герберы, хризантемы, бегонии.
Из однодольных растений разрабатываются методы размножения в культуре ткани для ириса, гиацинта, гладиолуса, лилии и некоторых других видов. Значительные успехи достигнуты в размножении орхидных.
Разработаны технологии размножения in vitro 16 сортов бегоний, 10 сортов хризантем, 8 сортов гиацинтов, 12 сортов фиалок, 20 сортов лилий и др. растений.
Контрольные вопросы:
1. Размножение древесных растений «in vitro»
2. Методы реювенилизации древесных растений.
3. Клональное микроразмножение злаковых
4. Размножение «in vitro» овощных и ягодных культур
5. Микроклональное размножение декоративных растений
Размножение культурой тканей
Сравнительно недавно начали выращивать растения из клеток образовательной ткани, помещенных в особую питательную среду. Такой способ размножения растений называют культурой тканей.
В специальных камерах, в которых поддерживают определенную температуру, влажность и освещенность, клетки образовательной ткани активно делятся и из них образуются крохотные растения.
В настоящее время этот способ используют для размножения орхидей, садовой гвоздики, герберы, женьшеня и даже картофеля.
Используя культуру тканей, можно получить большое количество посадочного материала в любое время года.
Очень важно, что получаемый посадочный материал не заражен никакими болезнетворными микроорганизмами.
Значение вегетативного размножения в природе
Благодаря вегетативному размножению многие растения быстро расселяются, захватывая новые территории.
Кроме того, в некоторых случаях семенное размножение бывает затруднено. Например, земляника или сныть, растущие в тени, практически не цветут и не образуют плодов и семян. В таких условиях они размножаются в основном вегетативно. Важную роль вегетативное размножение играет в распространении таких растений, как ландыш, майник, живучка и др.
ЧЕРЕНОК, ОТПРЫСК, ОТВОДОК. ПРИВИВКА. КУЛЬТУРА ТКАНЕЙ. ПРИВОЙ. ПОДВОЙ
1. Какие способы размножения надземными побегами вы знаете? 2. Что такое черенок? 3. Что такое прививка? 4. Когда следует проводить прививку черенком, а когда — глазком? Почему? 5. Какое значение имеет вегетативное размножение в природе?
- 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
