Культура клеток, тканей и органов растений

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

2) Асептические условия

Во-первых, в стандартной лаборатории тканевых культур должно быть несколько основных помещений:

— Комната для подготовки, стерилизации и хранения питательных сред.

— 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.

Литература:

1. Культура растительных тканей: современное состояние и возможности. — Текст: электронный // www.intechopen.com: [сайт]. URL: https://www.intechopen.com/chapters/40180 (дата обращения: 22.10.2021).
2. Bhojwani, S. S. Plant tissue culture: Theory and practice / S. S. Bhojwani, M. K. Hrazdan. — Текст: непосредственный // Elsevier. — 2004. — Revised Edition. — P.3.
3. Дитченко, Т. И. Культура клеток, тканей и органов растений/ Т. И. Дитченко. — Текст: электронный //: [сайт].URL: http://www.bio.bsu.by/fbr/files/kurs_lectures_plant_cell_culture.pdf (дата обращения: 21.10.2021).