Выращивание изолированных тканей растений

Культура изолированных тканей

Методы выращивания изолированных тканей растений были разработаны Ф. Уайтом и Р. Готре. Сущность метода заключается в том, что выделенные ку­сочки ткани или отдельные клетки выращивают на искусственной питательной среде в стерильных условиях. Если полностью дифференцированную клетку изолировать, то в стерильных условиях на соответствующей питательной среде она снова начинает делиться, и затем из нее может развиться целый растительный организм. Так, из одной полностью дифференцированной клетки флоэмы, выделенной из корнеплода моркови, из клетки сердцевинной паренхимы табака и других можно получить целое, полностью развившееся растение. В опытах Р.Г. Бутенко с клетками фло­эмы моркови при выращивании на питательной среде в стерильных условиях сначала клетки быстро делились. Получалась недифференцированная масса мелких клеток — каллюс меристематической структуры (увеличенное число рибосом, митохондрий и т. д.) с интенсивным синтезом РНК и белка. При этом возрастала интенсивность дыхания и увеличивалась доля пентозофосфатного пути. Затем в массе однородных клеток возникали очаги дифференциации, клет­ки дифференцировались вторично. Процесс вторичной дифференцировки можно разделить на две фазы. Первая фаза — это образование в массе однородных клеток очагов регенерационной меристемы и возникновение зародышевых структур (эмбриоидов), которые на­поминают настоящие и имеют зачаточную почечку и зачаточный корешок. На второй фазе происходит рост этих зародышевых структур. При этом в зависи­мости от соотношения фитогормонов (ауксинов и цитокининов) происходит преимущественный рост тех или иных органов. В настоящее время ведутся исследования с изолированными протопластами, которые выделяют путем раз­рушения клеточных стенок специальными ферментами. Изолированные про­топласты при помещении их на подходящую питательную среду образуют но­вую оболочку, т. е. превращаются в клетки. Вместе с тем протопласты способны сливаться вежду собой и образовывать клеточную оболочку. Таким образом, можно получить гибридную клетку, а из нее растение. Рост и дифференциация и в этом случае зависят от соотношения физических и гормональных веществ в питательной среде. Метод выращивания изолированных тканей, клеток, протопластов позволя­ет решать многие теоретические вопросы, связанные с раскрытием механизмов дифференцировки (морфогенеза), регуляции физиологических процессов и др. Этот метод получил также широкое практическое применение в области сель­ского хозяйства, биотехнологической промышленности.

Биотехнология — наука, использующая биологические принципы в практиче­ских целях. Эта отрасль науки охватывает очень широкий круг вопросов. Ряд из них решается с помощью клеточных культур. Так, все более важное значение приобретает клональное размножение. Клон — ряд поколений генетически одно­родных потомков одной исходной особи, образующейся в результате бесполого размножения. Клонирование позволяет получать большое количество поса­дочного материала, полностью идентичного исходной особи. При клональном микроразмножении в большинстве случаев в качестве ис­ходного материала используются фрагменты верхушечной апикальной мери­стемы. Верхушечные меристемы не содержат патогенных микроорганизмов, поэтому растения, полученные от них, являются здоровыми. Изолированные меристемы выращивают в стерильных условиях на ряде последовательно меняю­щихся питательных сред. В результате получаются растения с корневой системой, пригодные для посадки в почву. Этим методом от клеток меристемы одного растения можно получить практически неограниченное число потомков. Ме­тод широко применяется для размножения декоративных, ягодных и других растений. Все большее значение в селекции приобретает метод изолированных клеток. Здесь возможны разные направления: направленный отбор клеток, ока­завшихся устойчивыми к тем или иным неблагоприятным условиям среды или болезням, и выращивание из них устойчивых растений (клеточная селекция). Важное значение имеет получение гаплоидных растений, содержащих одинар­ный набор хромосом. Этот метод предполагает получение растений из мужских либо из женских гамет. Гаплоидные растения после обработки колхицином имеют два набора идентичных хромосом, полностью соответствующих материнскому рас­тению. Большие надежды возлагаются на соматическую гибридизацию, заключаю­щуюся в слиянии двух протопластов. Таким путем были получены гибриды между картофелем и томатами, названные «помато». Преимущества такой гибридизации заключаются в том, что наследуются признаки, не только закодированные в ядре, но и в органеллах цитоплазмы. Следовательно, можно управлять такими важными процессами, как фотосинтез, дыхание и др. Наконец, нельзя не отметить широкое использование культуры изолированных тканей для промышленного получения ряда важнейших лекарственных и пищевых препаратов. В качестве примера мож­но привести получение тонизирующих веществ из клеток женьшеня, стероидных сапонинов из клеток дискореи дельфитовидной и др.

Необходимо в заключение отметить, что для всех направлений применения метода изолированных тканей необходимо знание физиологических особенно­стей используемого объекта. Из опытов с культурой изолированных тканей, кле­ток и протопластов можно сделать несколько выводов:

1. Все клетки действительно имеют одинаковые потенциальные возможности.

2. Клетка, находящаяся в окружении других клеток, и клетка, выделенная из ткани, проявляют эти возможности по-разному.

3. Проявление потенциальных возможностей клеток определяется внутрен­ними и внешними условиями. Большое значение имеют гормоны.

4. В основе регуляции дифференциации клетки лежит дифференциальная ак­тивность генома.

5. Не все клетки могут полностью проявить свои возможности. В некоторых случаях гены настолько репрессированы, что эти возможности не проявляются. В процессе развития клетка может также потерять способность реализовать имеющуюся информацию.

Источник

Микроклональное размножение цветочных культур

Иначе этот способ размножения называется методом изолированных тканей. Метод изолированных тканей начал развиваться в конце XIX — начале XX в. Х.Фехтингом, К.Х. Рехингером, Г. Габерландтом.

Длительный период велись исследования по подбору питательной среды для выращивания изолированных высокоспециализированных тканей, которые были неудачными из-за характера выращиваемых тканей.

Состав питательной среды

Только в 1932 г. Р. Й. Готре во Франции и Ф.Уайт в США независимо друг от друга добились положительных результатов в этих исследованиях, удачно подобрав состав питательной среды и выращиваемую ткань — меристему корня томата.

В 1952 г. Г. М. Морэль и К. Мартин получили безвирусные растения из меристемы, взятой от зараженного растения табака. После этих опытов метод верхушечной меристемы стали применять с целью оздоровления растений, зараженных вирусами.

Среди наиболее значительных были работы, проведенные на декоративных растениях — хризантемах, орхидеях, фрезии, ирисе, луковичных и, главное, на американских сортах крупноцветковой ремонтантной гвоздики.

В настоящее время метод культуры изолированных тканей растений нашел широкое применение не только для получения безвирусных растений, но и для быстрого размножения сортов, у которых при семенном размножении не получается стабильного по декоративным качествам потомства (гербера).

А также с целью получения от исходных сортов растений со спортовыми отклонениями. Возникновение спортов при этом обусловлено мутагенным действием регуляторов роста, которые могут вызывать поли-плоидизацию растущих каллюсных клеток.

Для этого используют не только апикальную меристему растений, но и части листьев, цветоносов, цветков (пыльники, цветоложе).

Для выращивания изолированных тканей требуется определенный микроклимат в культивационных помещениях, стерильность всех инструментов и питательных сред, система контроля за качеством получаемого материала (вирусная стерильность, сохранение сорта).

Выращивание изолированных тканей

Выращивание изолированных тканей делят на четыре этапа:

1. эксплантация (вычленение) исходной ткани растения; на этом этапе необходимо получить свободную от видимой инфекции ткань, добиться ее выживания и быстрого роста;
2. собственно микроразмножение, при котором нужно обеспечить увеличение количества микрочеренков;
3. укоренение полученных микропобегов и сохранение их в прохладном помещении;
4. закаливание растений, повышение их устойчивости к внешней среде (рис. 4.3).

Метод выращивания изолированных тканей включает:

• приготовление и стерилизацию питательной среды;
• подготовку и стерилизацию растительного материала и оборудования на этапе вычленения тканей;
• изоляцию и посадку кусочков тканей на питательную среду;
• выращивание ткани в термостатированных условиях (получение растений-регенератов, или vitro-растений);
• пересадку растений в оранжерейные субстраты и выращивание из них маточных растений в условиях, исключающих возможность вирусного инфицирования;
• проверку растений на наличие вирусных заболеваний и отбор здоровых растений;
• получение здорового посадочного материала от здоровых маточников.

Для выращивания изолированных тканей необходимы специализированные помещения:

• комнаты для стерилизации сред и для мойки посуды;
• боксы для изоляции, пересадки тканей и деления растеньиц;
• термостатная для выращивания изолированных тканей и укоренения микрочеренков.

В термостатной температуру воздуха поддерживают в пределах ±2 °С от оптимальной для конкретного вида. Декоративные растения по отношению к температуре в период выращивания их методом культуры тканей делят на три группы.

Оптимальные пределы температур для этих групп равны 20—22, 22—21 и 28 — 29°С. Поэтому в термостатной температура должна регулироваться в пределах от 20 до 29 °С. Оптимальная относительная влажность воздуха 70 %.

Более высокая относительная влажность воздуха может привести к увлажнению ватных пробок и инфицированию культур в пробирках, а более низкая — к высыханию среды, содержащей агар, или к изменению концентрации солей в жидкой среде.

Источники теплоотдачи

Воздух в термостатной должен быть чистым, без посторонних примесей. Освещение обеспечивается люминесцентными лампами. При использовании других источников важно учитывать их теплоотдачу, так как при высокой теплоотдаче может наблюдаться перегрев культур. Освещенность 1—2 тыс. лк.

Важнейший элемент технологии культуры растительных тканей — питательная среда. В результате многочисленных исследований с разными видами растений создано много сред, агаризованных полутвердых и жидких.

Большинство из них включают в себя минеральные макро- и микроэлементы, углеводы, витамины, аминокислоты, регуляторы роста. Наиболее часто используют среды Уайта, Мореля, Мурасиге-Скуга, Линсмейера—Скуга, Буюса (прил. 2).

Все среды содержат регуляторы роста — ауксины и цитокини-ны, без которых изолированные клетки нормальных растений не могут расти на искусственных средах.

Из всех разработанных сред среда Мурасиге-Скуга наиболее универсальна и эффективна для большинства декоративных культур. Однако для каждого вида разрабатывают собственные модификации сред.

Развитие кусочка ткани на среде может происходить двумя путями:

1. непосредственно образуется проросток и из него растеньице;
2. образуется каллюс, который затем пересаживают (пассируют) на другую среду, где он дает начало побегам.

Развитие растительной ткани в пробирках зависит от разных причин: размеров выделенной апикальной меристемы (гвоздика), соотношения в питательной среде регуляторов роста и условий, в которых находятся растения.

Для получения растений-регенератов важно обеспечить последовательность прохождения фаз органогенеза. Первая фаза органогенеза — переход недифференцированной растущей ткани к образованию регенерационной меристемы и закладке стеблевых точек роста.

Органогенез

Эта фаза обеспечивается преобладанием в среде цитокининов над соединениями с ауксиновой активностью. Вторая фаза органогенеза — переход возникших образований к активному формированию побегов и корней.

Для этой фазы необходима среда с относительно низким количеством (по сравнению со средой Мурасиге-Скуга) минеральных солей и содержанием веществ к ауксиновой активностью.

Отбор соответствующей питательной среды для прохождения первой и второй фаз органогенеза — наиболее сложная и важная задача. Для каждого вида, а иногда и сорта эту задачу решают отдельно, что служит причиной многообразия питательных сред (прил. 3).

В настоящее время метод культуры изолированных тканей растений нашел широкое применение в мире. В нашей стране он начал развиваться с конца 50-х гг. XX в., когда в институте физиологии растений им. К. Е. Тимирязева была создана лаборатория культуры изолированных растительных тканей и органов.

Сейчас такие лаборатории имеются в Научно-исследовательском институте горного садоводства и цветоводства (Сочи), в Научно-исследовательском зональном институте садоводства Нечерноземной полосы (Москва).

Этот метод используется во многих цветоводческих хозяйствах, где имеются промышленные лаборатории: Московском оранжерейном комплексе (Одинцово), колхозе им. С.М.Кирова Балашихинского района, совхозе «Победа» (Клин).

Источник

Культура изолированных тканей

Методы выращивания изолированных тканей растений были разработаны Ф. Уайтом и Р. Готре. Сущность метода заключается в том, что выделенные ку­сочки ткани или отдельные клетки выращивают на искусственной питательной среде в стерильных условиях.

Если полностью дифференцированную клетку изолировать, то в стерильных условиях на соответствующей питательной среде она снова начинает делиться, и затем из нее может развиться целый растительный организм. Так, из одной полностью дифференцированной клетки флоэмы, выделенной из корнеплода моркови, из клетки сердцевинной паренхимы табака и других можно получить целое, полностью развившееся растение. В опытах Р.Г. Бутенко с клетками фло­эмы моркови при выращивании на питательной среде в стерильных условияхсначала клетки быстро делились. Получалась недифференцированная массамелких клеток — каллюс меристематической структуры (увеличенное число рибосом, митохондрий и т. д.) с интенсивным синтезом РНК и белка. При этом возрастала интенсивность дыхания и увеличивалась доля пентозофосфатного пути. Затем в массе однородных клеток возникали очаги дифференциации, клет­ки дифференцировались вторично.

Процесс вторичной дифференцировки можно разделить на две фазы. Первая фаза — это образование в массе однородных клеток очагов регенерационной меристемы и возникновение зародышевых структур (эмбриоидов), которые на­поминают настоящие и имеют зачаточную почечку и зачаточный корешок. На второй фазе происходит рост этих зародышевых структур. При этом в зависи­мости от соотношения фитогормонов (ауксинов и цитокининов) происходит преимущественный рост тех или иных органов. В настоящее время ведутся исследования с изолированными протопластами, которые выделяют путем раз­рушения клеточных стенок специальными ферментами. Изолированные про­топласты при помещении их на подходящую питательную среду образуют но­вую оболочку, т. е. превращаются в клетки. Вместе с тем протопласты способны сливаться вежду собой и образовывать клеточную оболочку. Таким образом, можно получить гибридную клетку, а из нее растение. Рост и дифференциация и в этом случае зависят от соотношения физических и гормональных веществ в питательной среде.

Метод выращивания изолированных тканей, клеток, протопластов позволя­ет решать многие теоретические вопросы, связанные с раскрытием механизмов дифференцировки (морфогенеза), регуляции физиологических процессов и др. Этот метод получил также широкое практическое применение в области сель­ского хозяйства, биотехнологической промышленности.

Биотехнология— наука, использующая биологические принципы в практиче­ских целях. Эта отрасль науки охватывает очень широкий круг вопросов. Ряд из них решается с помощью клеточных культур. Так, все более важное значение приобретает клональное размножение. Клон — ряд поколений генетически одно­родных потомков одной исходной особи, образующейся в результате бесполого размножения. Клонирование позволяет получать большое количество поса­дочного материала, полностью идентичного исходной особи.

При клональном микроразмножении в большинстве случаев в качестве ис­ходного материала используются фрагменты верхушечной апикальной мери­стемы. Верхушечные меристемы не содержат патогенных микроорганизмов, поэтому растения, полученные от них, являются здоровыми. Изолированные меристемы выращивают в стерильных условиях на ряде последовательно меняю­щихся питательных сред. В результате получаются растения с корневой системой, пригодные для посадки в почву. Этим методом от клеток меристемы одного растения можно получить практически неограниченное число потомков. Ме­тод широко применяется для размножения декоративных, ягодных и других растений. Все большее значение в селекции приобретает метод изолированных клеток. Здесь возможны разные направления: направленный отбор клеток, ока­завшихся устойчивыми к тем или иным неблагоприятным условиям среды или болезням, и выращивание из них устойчивых растений (клеточная селекция).

Важное значение имеет получение гаплоидных растений, содержащих одинар­ный набор хромосом. Этот метод предполагает получение растений из мужских либо из женских гамет. Гаплоидные растения после обработки колхицином имеют два набора идентичных хромосом, полностью соответствующих материнскому рас­тению. Большие надежды возлагаются на соматическую гибридизацию, заключаю­щуюся в слиянии двух протопластов. Таким путем были получены гибриды между картофелем и томатами, названные «помато». Преимущества такой гибридизации заключаются в том, что наследуются признаки, не только закодированные в ядре, но и в органеллах цитоплазмы. Следовательно, можно управлять такими важными процессами, как фотосинтез, дыхание и др. Наконец, нельзя не отметить широкое использование культуры изолированных тканей для промышленного получения ряда важнейших лекарственных и пищевых препаратов. В качестве примера мож­но привести получение тонизирующих веществ из клеток женьшеня, стероидных сапонинов из клеток дискореи дельфитовидной и др.

Необходимо в заключение отметить, что для всех направлений применения метода изолированных тканей необходимо знание физиологических особенно­стей используемого объекта. Из опытов с культурой изолированных тканей, кле­ток и протопластов можно сделать несколько выводов:

1. Все клетки действительно имеют одинаковые потенциальные возможности.

2. Клетка, находящаяся в окружении других клеток, и клетка, выделенная из ткани, проявляют эти возможности по-разному.

3. Проявление потенциальных возможностей клеток определяется внутрен­ними и внешними условиями. Большое значение имеют гормоны.

4. В основе регуляции дифференциации клетки лежит дифференциальная ак­тивность генома.

5. Не все клетки могут полностью проявить свои возможности. В некоторых случаях гены настолько репрессированы, что эти возможности не проявляются.

В процессе развития клетка может также потерять способность реализовать имеющуюся информацию.

Источник