Hodowla tkanek roślinnych

Hodowla tkankowa roślin to zbiór technik stosowanych do utrzymywania lub wzrostu komórek roślinnych, tkanek lub narządów w sterylnych warunkach na pożywce hodowlanej o znanym składzie. Jest szeroko stosowany do produkcji klonów roślin metodą zwaną mikrorozmnażaniem . Różne techniki w kulturach tkankowych roślin mogą oferować pewne korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami rozmnażania, w tym:

  • Produkcja dokładnych kopii roślin, które wytwarzają szczególnie dobre kwiaty, owoce lub posiadają inne pożądane cechy.
  • Aby szybko produkować dojrzałe rośliny.
  • Produkcja wielokrotności roślin przy braku nasion lub niezbędnych zapylaczy do produkcji nasion.
  • Regeneracja całych roślin z komórek roślinnych, które zostały zmodyfikowane genetycznie.
  • Produkcja roślin w sterylnych pojemnikach, które umożliwiają ich przenoszenie przy znacznie zmniejszonych szansach przenoszenia chorób, szkodników i patogenów.
  • Produkcja roślin z nasion, które inaczej mają bardzo małe szanse na kiełkowanie i wzrost, tj. storczyki i Nepenthes .
  • Do oczyszczania poszczególnych roślin z infekcji wirusowych i innych oraz do szybkiego namnażania tych roślin jako „oczyszczonego materiału” dla ogrodnictwa i rolnictwa.
  • Rozmnażanie opornych roślin wymaganych do rekultywacji gruntów
  • Przechowywanie genetycznego materiału roślinnego w celu ochrony rodzimych gatunków roślin.

Hodowla tkanek roślinnych opiera się na fakcie, że wiele komórek roślinnych ma zdolność regeneracji całej rośliny (totipotencja komórkowa). Pojedyncze komórki, komórki roślinne bez ścian komórkowych ( protoplasty ), kawałki liści, łodyg lub korzeni mogą być często używane do wytworzenia nowej rośliny na pożywce hodowlanej, biorąc pod uwagę wymagane składniki odżywcze i hormony roślinne .

Techniki stosowane w hodowli tkanek roślinnych in vitro

Przygotowanie tkanki roślinnej do hodowli tkankowej odbywa się w warunkach aseptycznych w przefiltrowanym powietrzu HEPA dostarczanym przez komorę z przepływem laminarnym . Następnie tkankę hoduje się w sterylnych pojemnikach, takich jak szalki Petriego lub kolby, w pomieszczeniu do wzrostu o kontrolowanej temperaturze i natężeniu światła. Żywe materiały roślinne ze środowiska są w naturalny sposób zanieczyszczone na swojej powierzchni (a czasem we wnętrzu) ​​mikroorganizmami , dlatego ich powierzchnie są sterylizowane w roztworach chemicznych (zwykle alkoholu i sodu lub podchlorynu wapnia ) przed pobraniem odpowiednich próbek (znanych jako eksplanty ). Sterylne eksplanty są następnie zwykle umieszczane na powierzchni sterylnej stałej pożywki hodowlanej, ale czasami są umieszczane bezpośrednio w sterylnej pożywce płynnej, zwłaszcza gdy pożądane są hodowle w zawiesinie komórkowej. Pożywki stałe i płynne składają się na ogół z nieorganicznych oraz kilku organicznych składników odżywczych, witamin i hormonów roślinnych. Pożywki stałe przygotowuje się z pożywek płynnych z dodatkiem środka żelującego, zwykle oczyszczonego agaru.

in vitro eksplantatów ziemniaka

Skład pożywki, w szczególności hormony roślinne i źródło azotu (azotan w porównaniu z solami amonowymi lub aminokwasami) mają głęboki wpływ na morfologię tkanek, które wyrastają z początkowego eksplantatu. Na przykład nadmiar auksyny często powoduje proliferację korzeni, podczas gdy nadmiar cytokininy może dawać pędy . Równowaga zarówno auksyny, jak i cytokininy często prowadzi do niezorganizowanego wzrostu komórek lub kalusa , ale morfologia odrostu będzie zależała od gatunku rośliny oraz składu podłoża. W miarę wzrostu kultur, kawałki są zwykle odcinane i przenoszone na nowe podłoża, aby umożliwić wzrost lub zmienić morfologię kultury. Umiejętności i doświadczenie hodowcy tkanek są ważne przy ocenie, które elementy należy hodować, a które odrzucić.

Gdy pędy wyłaniają się z kultury, można je odciąć i ukorzenić za pomocą auksyny, aby wytworzyć sadzonki, które po osiągnięciu dojrzałości można przenieść do gleby doniczkowej w celu dalszego wzrostu w szklarni jako normalne rośliny.

Drogi regeneracji

Hodowle tkankowe roślin uprawiane w banku nasion USDA , Narodowym Centrum Ochrony Zasobów Genetycznych.

Specyficzne różnice w potencjale regeneracyjnym różnych narządów i eksplantów mają różne wyjaśnienia. Istotnymi czynnikami są różnice w stadium komórek w cyklu komórkowym , dostępność lub zdolność do transportu endogennych regulatorów wzrostu oraz zdolności metaboliczne komórek. Najczęściej stosowanymi eksplantatami tkankowymi są merystematyczne końce roślin, takie jak wierzchołek łodygi, wierzchołek pąka pachowego i wierzchołek korzenia. Tkanki te mają wysokie tempo podziału komórek i albo koncentrują się, albo wytwarzają wymagane substancje regulujące wzrost, w tym auksyny i cytokininy.

Wydajność regeneracji pędów w kulturach tkankowych jest zwykle cechą ilościową , która często różni się między gatunkami roślin, aw obrębie gatunku rośliny między podgatunkami, odmianami, odmianami lub ekotypami . Dlatego regeneracja kultur tkankowych może stać się skomplikowana, zwłaszcza gdy trzeba opracować wiele procedur regeneracji dla różnych genotypów w obrębie tego samego gatunku.

Trzy powszechne ścieżki regeneracji kultur tkankowych roślin to rozmnażanie z wcześniej istniejących merystemów (hodowla pędów lub kultura węzłów), organogeneza i embriogeneza niezygotyczna .

Rozmnażanie pędów lub segmentów węzłowych odbywa się zwykle w czterech etapach do masowej produkcji sadzonek poprzez namnażanie wegetatywne in vitro , ale organogeneza jest powszechną metodą mikrorozmnażania, która obejmuje regenerację tkanek narządów przybyszowych lub pąków pachowych bezpośrednio lub pośrednio z eksplantatów. Embriogeneza niezygotyczna jest godną uwagi ścieżką rozwojową, która jest wysoce porównywalna z drogą zygotyczną zarodków i jest ważną drogą do wytwarzania wariantów somaklonalnych, opracowywania sztucznych nasion i syntezy metabolitów. Ze względu na jednokomórkowe pochodzenie zarodków niezygotycznych są one preferowane w kilku systemach regeneracji do mikrorozmnażania, manipulacji ploidalnością, przenoszenia genów i produkcji syntetycznych nasion. Niemniej jednak regeneracja tkanek poprzez organogenezę okazała się również korzystna do badania mechanizmów regulacyjnych rozwoju roślin.

Wybór eksplantatu

Tkanka uzyskana z rośliny przeznaczonej do hodowli nazywana jest eksplantem.

Eksplantaty można pobierać z wielu różnych części rośliny, w tym części pędów, liści, łodyg, kwiatów, korzeni, pojedynczych niezróżnicowanych komórek oraz z wielu rodzajów dojrzałych komórek, pod warunkiem, że nadal zawierają żywą cytoplazmę i jądra i są zdolne do odróżnicowania i wznowić podział komórek. Doprowadziło to do powstania koncepcji totipotencji komórek roślinnych. Jednak nie dotyczy to wszystkich komórek ani wszystkich roślin. U wielu gatunków eksplantaty różnych narządów różnią się tempem wzrostu i regeneracji, a niektóre nie rosną wcale. Wybór materiału eksplantacyjnego decyduje również o tym, czy sadzonki wyhodowane w hodowli tkankowej są haploidalne lub diploidalne . Również ryzyko zanieczyszczenia mikrobiologicznego wzrasta w przypadku nieodpowiednich eksplantatów.

Pierwsza metoda obejmująca merystemy i indukcję wielu pędów jest metodą preferowaną w przemyśle mikrorozmnażania, ponieważ ryzyko zmienności somaklonalnej (zmienność genetyczna wywołana kulturą tkankową) jest minimalne w porównaniu z dwiema pozostałymi metodami. Somatyczna embriogeneza to metoda, która może potencjalnie być kilkakrotnie wyższa pod względem szybkości namnażania i jest podatna na obsługę w płynnych systemach hodowli, takich jak bioreaktory.

Niektóre eksplantaty, takie jak wierzchołek korzenia , są trudne do wyizolowania i zanieczyszczone mikroflorą glebową, która staje się problematyczna w procesie hodowli tkankowej. Pewna mikroflora glebowa może tworzyć ścisłe powiązania z systemami korzeniowymi , a nawet rosnąć w korzeniu. Cząsteczki gleby związane z korzeniami są trudne do usunięcia bez uszkodzenia korzeni, co następnie umożliwia atak drobnoustrojów. Ta powiązana mikroflora na ogół porasta pożywkę do hodowli tkankowej, zanim nastąpi znaczący wzrost tkanki roślinnej.

Niektóre hodowane tkanki rozwijają się powoli. Dla nich byłyby dwie opcje: (i) Optymalizacja pożywki hodowlanej; (ii) Hodowanie wysoce wrażliwych tkanek lub odmian. Martwica może zepsuć hodowane tkanki. Ogólnie odmiany roślin różnią się podatnością na martwicę kultur tkankowych. W ten sposób można zarządzać hodowlą wysoce wrażliwych odmian (lub tkanek).

Eksplantaty powietrzne (nadglebowe) są również bogate w niepożądaną mikroflorę. Łatwiej jednak usunąć je z eksplantatu przez delikatne spłukanie, a pozostałą część zwykle można zabić przez sterylizację powierzchniową. Większość mikroflory powierzchniowej nie tworzy ścisłych związków z tkanką roślinną . Takie asocjacje można zazwyczaj stwierdzić podczas oględzin w postaci mozaiki, odbarwienia lub zlokalizowanej martwicy na powierzchni eksplantatu.

Alternatywą dla uzyskania niezanieczyszczonych eksplantatów jest pobranie eksplantatów z sadzonek wyhodowanych aseptycznie z nasion sterylizowanych powierzchniowo. Twarda powierzchnia nasion jest mniej przepuszczalna dla penetracji ostrych powierzchniowych środków sterylizujących, takich jak podchloryn , więc dopuszczalne warunki sterylizacji stosowane w przypadku nasion mogą być znacznie bardziej rygorystyczne niż w przypadku tkanek wegetatywnych.

Rośliny hodowane w tkankach są klonami . Jeśli oryginalna roślina mateczna użyta do wytworzenia pierwszych eksplantatów jest podatna na patogen lub warunki środowiskowe, cała uprawa byłaby podatna na ten sam problem. I odwrotnie, wszelkie pozytywne cechy również pozostaną w tej linii.

Zastosowania kultur tkankowych roślin

Hodowle tkankowe roślin są szeroko stosowane w naukach o roślinach, leśnictwie i ogrodnictwie. Zastosowania obejmują:

  • Komercyjna produkcja roślin używanych jako przedmioty doniczkowe, krajobrazowe i kwiaciarskie, która wykorzystuje kulturę merystemu i pędów do produkcji dużej liczby identycznych osobników.
  • Aby chronić rzadkie lub zagrożone gatunki roślin.
  • Hodowca roślin może wykorzystywać hodowlę tkankową do przeszukiwania komórek zamiast roślin pod kątem korzystnych cech, np. odporności/tolerancji na herbicydy .
  • Wzrost komórek roślinnych na dużą skalę w hodowli płynnej w bioreaktorach do produkcji cennych związków, takich jak wtórne metabolity pochodzenia roślinnego i rekombinowane białka wykorzystywane jako biofarmaceutyki .
  • Krzyżowanie odległych gatunków poprzez fuzję protoplastów i regenerację nowej hybrydy .
  • Szybkie badanie molekularnych podstaw fizjologicznych, biochemicznych i reprodukcyjnych mechanizmów u roślin, na przykład selekcja in vitro roślin odpornych na stres.
  • Aby zapylić krzyżowo daleko spokrewnione gatunki, a następnie wyhodować tkankę powstałego zarodka, który w przeciwnym razie normalnie by umarł (Embryo Rescue).
  • Do podwojenia chromosomów i indukcji poliploidalności , na przykład podwojonych haploidów, tetraploidów i innych form poliploidalnych . Osiąga się to zwykle poprzez podanie środków antymitotycznych, takich jak kolchicyna lub oryzalina .
  • Jako tkanka do transformacji, po której następuje albo krótkotrwałe testowanie konstruktów genetycznych, albo regeneracja roślin transgenicznych .
  • Pewne techniki, takie jak hodowla wierzchołków merystemów, mogą być stosowane do produkcji czystego materiału roślinnego z zainfekowanego materiału, takiego jak trzcina cukrowa, ziemniaki i wiele gatunków owoców miękkich.
  • Można uzyskać produkcję identycznych sterylnych gatunków mieszańców.
  • Produkcja sztucznych nasion na dużą skalę poprzez embriogenezę somatyczną

Laboratoria

Chociaż niektórzy hodowcy i szkółki mają własne laboratoria do rozmnażania roślin techniką hodowli tkankowej, szereg niezależnych laboratoriów świadczy niestandardowe usługi rozmnażania. Plant Tissue Culture Information Exchange wymienia wiele komercyjnych laboratoriów hodowli tkankowych. Ponieważ hodowla tkanek roślinnych jest procesem bardzo pracochłonnym, byłby to ważny czynnik przy określaniu, które rośliny byłyby komercyjnie opłacalne do namnażania w laboratorium.

Zobacz też

Notatki

Źródła

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plant_tissue_culture&oldid=1093655446 ”