Реферат микроклональное размножение растений

Обновлено: 05.10.2024

Проблема охраны видов растений в настоящее время становиться актуальной вследствие нерационального использования природных ресурсов, расширения воздействия человека на окружающую среду, ухудшения экологической обстановки. Для многих видов из-за сокращения их численности и распространения, возникла реальная угроза исчезновения.

В Волгоградской области разработана и действует программа по сохранению редких видов флоры, в рамках ведения региональной Красной книги. В Красной книге Волгоградской области[7] представлен список видов растений, которые на сегодняшний день находятся под угрозой исчезновения. К таким видам относится Ирис Низкий (Iris pumila 2(V) D.) Особо охраняемые природные территории обеспечивают наилучшее условия для длительного выживания растений, но не везде они есть. Для некоторых редких видов растений сохранение их культивированием в ботанических садах менее успешно, но может быть единственным средством выживания.

В последние годы в мире стало широко использоваться размножение редких и исчезающих видов растений в стерильной культуре, т.к. семенное размножение не всегда эффективно, из-за быстрой потери всхожести семян.

Наиболее эффективным способом культивирования является клональное микроразмножение.

К основным преимуществам этого приема относятся: получение генетически однородных копий природных особей, ценного селекционного материала в больших количествах в течение года, сокращение сроков получения укорененных растений, подготовка растений в условиях теплицы к началу вегетации в открытом грунте.

Проблема исследования

состоит в том, чтобы отработать технологию введения Ириса Низкого в культуру in vitro, подобрать оптимальные питательные среды и условия культивирования эксплантов, изучить их рост и развитие.

Объект исследования – Ирис Низкий. Предмет исследования - оптимальные питательные среды и условия культивирования Ириса низкого.

Цель исследования: разработка технологии клонального микроразмножения Ириса Низкого.

1. Отработать технологию введения Ириса низкого в культуру in vitro.

2. Подобрать оптимальные питательные среды и условия культивирования эксплантов.

3. Изучить особенности роста и развития Ириса Низкого на этапе микроразмножения.

Гипотеза: если подобрать оптимальные условия введения, размножения и содержания в культуре in vitro Ириса Низкого, то это позволит сохранить его как вид.

In vivo – выращивание живого материала в естественных условиях.

Эксплант – фрагмент ткани или органа, инкубируемый на питательной среде самостоятельно или используемый для получения первичного каллуса.

Культура эксплантов – инкубация в стерильных условиях на питательных средах, вызывающих или не вызывающих пролиферацию фрагментов, изолированных из разных органов растений.

Клональное микроразмножение – получение in vitro неполовым путем растений, генетически идентичных исходному.

Пролиферация – новообразование клеток и тканей путем размножения.

Каллус – ткань, возникшая in vitro или in vivo путем неорганизованной пролиферации клеток растений и эксплантов.

Дедифференциация – переход специализированных клеток к пролиферации и неорганизованному каллусному росту.

Клонирование – получение генетически идентичных клеток, органов, популяций.

Морфогенез – процесс формирования органов (органогенез), тканей (гистогенез) и клеток (цитогенез или клеточная дифференциация).

Органогенез – процесс возникновения в неорганизованно растущей массе каллусных клеток зачатков органов (корней, листовых зачатков, побегов).

Основная часть

1. Обзор литературы

1.1 Методы биотехнологии для сохранения генофонда растений

Сохранение генофонда – одна из важнейших задач в деле сохранения природы, которой уделяют большое внимание во всем мире. Связано это с ограниченностью необходимых для существования человека биологических ресурсов и угрозой их истощения, вызванной мощным техногенным воздействием цивилизации на окружающую среду, от которого иногда страдают растения. Многие виды еще недостаточно хорошо изучены, однако все они являются генетическими ресурсами, которые человек может использовать. Поэтому потеря любого из них – невосполнимая утрата. Так, по данным Международного института генетических ресурсов растений (Рим), с начала ХХ века потеряно около 75% генетического разнообразия растений.

В настоящее время очень актуальна проблема сохранения генофонда, как культурных видов, так и дикорастущих растений, представляющих собой ценный селекционный материал. Существующие традиционные подходы сохранения генофонда базируются, во-первых, на создании разнообразных коллекций, а так же банков семян (хранение ex situ); во-вторых, на организации заповедников и заказников(in situ).

Создание коллекций растений невозможно без их первичного интродукционного изучения, когда они оцениваются на перспективность интродукции и поэтому критерию разделяются на три основные группы: очень перспективные, перспективные и малоперспективные. Для растений, входящих в две первые группы, чаще всего не возникает особых сложностей в формировании коллекции, тогда как для третьей группы обычные методы хранения живой ткани в вегетативной форме лимитируются трудностями создания оптимальных условий для выращивания.

Однако семена группы растений, относящихся к малоперспективным для интродукции, как правило, очень быстро теряют всхожесть при хранении. Представлены эти растения в основном видами, находящимися под угрозой исчезновения. Утрата таких растений в скором будущем может стать невосполнимой [4].

Применяемые традиционные методы сохранения генофонда трудоемки, а иногда и очень дорогостоящи, неприемлемы для ряда видов растений. Ценность сохраняемых растений часто лимитируется возможными болезнями и прихотливостью растений к новым средам обитания. Необходимы новые подходы, позволяющие преодолеть названные трудности и расширить список растений, сохраняемых в живых коллекциях.

Одним из альтернативных подходов к проблеме сохранения генофонда может стать использование методов биотехнологии растений. Но эти методы могут быть применимы только к таким видам, для которых разработаны методы регенерации и микроразмножения in vitro.Системы in vitrо, из которых невозможно получить растения-регенеранты, не представляют большого интереса для генетического сохранения [11]. Использование методов биотехнологии для сохранения генофонда имеет преимущества перед традиционными методами, заключающимися в том, что отпадает необходимость в большой площади земли и регулярном уходе за посадками, а также исключается возможность потери растений из-за заболеваний. Методические приемы, существующие в настоящее время, можно разделить на две группы. Одна группа методов базируется на хранении без нарушения процессов роста растений и, в дополнение к сказанному, именно эта группа методов имеет все те преимущества, которые с практической точки зрения дает использование методов культуры in vitro в размножении растений. Другие методы основаны на хранении при полной остановке роста либо при его замедлении [4].

В литературе не описываются приемы биотехнологии по выращиванию Ириса Низкого. И я считаю необходимым отработать технологию введения этого вида в культуру для его сохранения и размножения.

1.2 Микроклональное размножение как способ сохранения редких и исчезающих видов растений

Культура клеток растений – область биологии, тесно связанная с практикой. Почти каждый открытый здесь научный факт находит свое отражение в прикладных исследованиях. В отличие от клеток животных практически любая растительная клетка способна в определенных условиях и на соответствующих питательных средах регенерировать полноценные растения (свойство тотипотентности растительных клеток) Решающую роль во вторичном образовании органов (корней или почек) из недифференцированных тканей in vitro играет соотношение фитогормонов (ауксинов и цитокининов) и их концентраций в питательной среде. Изучение процесса экспериментального морфогенеза на всех уровнях организации, от отдельной клетки до верхушки побега, привело к созданию технологии клонального микроразмножения растений, которая уже в большинстве стран перешла на коммерческий уровень. Метод микроклонального размножения играет важную роль для ускоренного клонирования плодовых, ягодных, клубнеплодных, декоративных видов растений и древесных пород. Впервые этот метод применил французский исследователь Ж.Морель в 1960 г. для размножения орхидей. Из исходного экспланта ему удалось в течение года получить около четырёх миллионов новых растений, свободных от вирусной инфекции.

Преимуществами данного метода по сравнению с традиционными являются:

· значительно более высокие коэффициенты размножения (можно получить до 100.000- 1.000.000 мериклонов в год, тогда как при обычном размножении – 5-100 растений за тот же срок;

· миниатюризация процесса, приводящая к экономии площадей, занятыми маточными и размножающимися растениями;

· оздоровление растений от грибных и бактериальных патогенов, вирусов, микоплазменных, вироидных и нематодных инфекций;

· возможность размножения и ускорения растений, размножение которых затруднено обычными способами.

Хотя метод микроклонального размножения растений является довольно трудоёмким и затратным, в ряде случаев на его основе уже стало возможным создавать экономически рентабельные технологии [5].

1.3 Культура изолированных зародышей

Метод выращивания изолированных зародышей на искусственной питательной среде успешно развивается, начиная с работ Ханнинга, проведенных еще в 1904г. Различают выращивание на искусственной питательной среде зародышей из зрелых семян и зародышей из незрелых семян, изолированных на ранних фазах развития.

В первом случае зародыши чаще всего полностью дифференцированы.Изолирование их и выращивание на искусственных средах служит целям изучения потребностей их в элементах питания. Особенно интересно для ученых выяснить роль в питании зародыша веществ, поступающих из других частей семени - или усваиваемых им прямо из питательного субстрата. Это физиологическое направление в выращивании изолированных зародышей можно дополнить изучением состояния покоя зародыша может быть непродолжительным, а может требовать применение специальных приемов обработки семян, таких, как стратификация (воздействие пониженных- 2-5º - температур) в течение продолжительного времени. Выращивание в стерильных условиях на искусственной питательной среде дает в этом случае возможность применить различные вещества для преодоления состояния состояние покоя и стимулирования роста зародыша. Изучение потребности растений в низких температурах для их дальнейшего развития также можно провести на изолированных зародышах. Практическое значение культуры изолированных зародышей из зрелых семян заключается в ускорении получения растений из трудно прорастающих семян. Семена ирисов имеют длительный период покоя и прорастают в течение 2-3 лет. Выращивание изолированных зародышей без эндосперма и покровов семени, которые и вызывают задержку прорастания семян, позволяет ускорить развитие растений. Для вычленения зародышей обычно используют набухшие семена. Их стерилизуют, иногда дополнительно обжигают в пламени спиртовки, а затем в стерильных условиях препарируют и выделяют зародыш.

Работа с изолированными зародышами из зрелых семян относительно проста и может быть организованна в любой лаборатории селекционной станции. Труднее работать с зародышами, изолированными на ранних стадиях развития из незрелых семян. Значительно меньшие размеры самого зародыша и органов из которых он вычленяется, создают технические трудности. Но наиболее сложным в этом случае является подбор питательных сред, которые должны обеспечить развитие зародыша до состояния, которое он имеет в зрелом семени, его прорастание и рост.

Требование к веществам высокой физиологической активности, которые вносят в питательную среду, неодинаковы на разных стадиях зародыша. В зависимости от природы растения, питательные среды могут значительно отличаться по составу, но почти во всех случаях, кроме минерально-сахарной основы, в их состав включают эндоспермы из незрелых семян разных растений, набор аминокислот, витамины и гормоны- ауксины, цитокинины (кинетин, 6-бензиламинопурин) и гиббереллины.

1.4 Биология вида Ириса Низкого 2( V ) D

1.4.1 Систематика

Отдел: Покрытосеменные, или Цветковые растения

(Angiospermae, Anthophyta, или Magnoliophyta)

Порядок :

Семейство: Ирисовые или Касатиковые(Iridaceae, или )

Род: Ирис(Iris )

Вид: Ирис низкий (Iris pumila 2(V) D .)

1.4.2 Описание вида Iris pumila 2( V ) D –

Касатик низкий

1.4.3 Из истории

Достижения в области культуры клеток и тканей привели к созданию принципиально нового метода вегетативного размножения - клонального микроразмножения. Клональное микроразмножение - получение in vitro, неполовым путем, генетически идентичных исходному экземпляру растений.

1. Введение
2. Факторы, влияющие на процесс клонального микроразмножения;
3. Этапы микроклонального размножения растений;
4. Методы микроклонального размножения;
5. Оздоровление посадочного материала от вирусов методами хемотерапии и термотерапии;
6. Клональное микроразмножение декоративных, плодово-ягодных и хвойных растений;
7. Заключение;
8. Список использованной литературы.

Пионером клонального микроразмножения считается французский ученый Жан Морель, который в 50-х годах двадцатого века получил первые растения - регенеранты орхидей. В это время техника культивирования апикальных меристем in vitro была уже хорошо разработана. Как правило, исследователи в качестве первичного экспланта использовали верхушечные меристемы травянистых растений: гвоздики, хризантемы, подсолнечника, гороха, кукурузы и т.д. В нашей стране работы по клональному микроразмножению были начаты в 30-х годах в лаборатории культуры тканей и морфогенеза ИФРа. Под руководством Р.Г.Бутенко были изучены условия микроразмножения картофеля, сахарной свеклы, гвоздики, герберы и др. растений и предложены промышленные технологии. В дальнейшем исследования по клональному микроразмножении охватили и древесные растения.

Первые работы по культуре тканей древесных растений были опубликованы в середине 20-х годов нашего столетия и связаны с именем Готре, который показал, что камбиальные ткани некоторых растений способны к каллусогенезу in vitro. Но первые растения - регенеранты осины, доведенные до почвенной культуры, были получены лишь в середине 60-х годов Матесом.

Культивирование тканей хвойных пород in vitro долгое время редко использовалось как объект исследования. Это было связано со специфическими трудностями культивирования тканей, изолированных из растения. Известно, что древесные, и особенно хвойные растения характеризуются медленным ростом, трудно укореняются, содержат большое количество вторичных соединений (фенолы, терпены и т.д.), которые в изолированных тканях активируются. Окисленные фенолы обычно ингибируют деление и рост клеток, что ведет к гибели первичного экспланта или уменьшению способности тканей древесных растений к регенерации адвентивных почек, которая с возрастом растения-донора исчезает практически полностью. В настоящее время, несмотря на перечисленные трудности, насчитывается более 200 видов древесных растений из 40 семейств, которые были размножены in vitro (каштан, дуб, береза, клен, сосна, ель, секвойя и др.).

Этапы микроклонального размножения:

1. Выбор растения-донора, изолирование эксплантов и получение хорошо растущей стерильной культуры.

2. Собственно микроразмножение, когда достигается получение максимального количества меристематических клонов.

3. Укоренение размноженных побегов с последующей адаптацией их к почвенным условиям, а при необходимости депонирование растений-регенерантов при пониженной температуре (+2 о С, +10 о С).

4. Выращивание растений в условиях теплицы и подготовка их к реализации или посадке в поле.

Для культивирования тканей на каждом из четырех этапов требуется применение определенного состава питательной среды.

На первом этапе необходимо добиться получения хорошо растущей стерильной культуры. В тех случаях, когда трудно получить исходную стерильную культуру экспланта, рекомендуется вводить в состав питательной среды антибиотики (тетрациклин, бензилпенициллин и др.) в концентрации 100—200 мг/л. Это в первую очередь относится к древесным растениям, у которых наблюдается тенденция к накоплению внутренней инфекции.

На первом этапе, как правило, используют среду, содержащую минеральные соли по рецепту Мурасига и Скуга, а также различные биологически активные вещества и стимуляторы роста (ауксины, цитокинины) в различных сочетаниях в зависимости от объекта. В тех случаях, когда наблюдается ингибирование роста первичного экспланта, за счет выделения им в питательную среду токсичных веществ (фенолов, терпенов и других вторичных соединений), снять его можно, используя антиоксиданты. Это возможно двумя способами: либо омывкой экспланта слабым его раствором в течение 4—24 ч, либо непосредственным добавлением в питательную среду. В качестве антиоксидантов используют: аскорбиновую кислоту (1 мг/л), глютатион (4—5 мг/л), дитиотриэтол (1—3 мг/л), диэтилдитиокарбомат (2—5 мг/л), поливинилпирролидон (5000—10000 мг/л). В некоторых случаях целесообразно добавлять в питательную среду адсорбент - древесный активированный уголь в концентрации 0,5—1%. Продолжительность первого этапа может колебаться от 1 до 2 месяцев, в результате которого наблюдается рост меристематических тканей и формирование первичных побегов.

2 этап — собственно микроразмножение. На этом этапе необходимо добиться получения максимального количества мериклонов, учитывая при этом, что с увеличением субкультивирований увеличивается число растений-регенерантов с ненормальной морфологией и возможно наблюдать образование растений-мутантов.

Как и на первом этапе, используют питательную среду по рецепту Мурасига и Скуга, содержащую различные биологически активные вещества, а также регуляторы роста. Основную роль при подборе оптимальных условий культивирования эксплантов играют соотношение и концентрация внесенных в питательную среду цитокининов и ауксинов. Из цитокининов наиболее часто используют БАП в концентрациях от 1 до 10 мг/л, а из ауксинов—ИУК и НУК в концентрациях до 0,5 мг/л.

При долгом культивировании растительных тканей на питательных средах с повышенным содержанием цитокининов (5—10 мг/л) происходит постепенное накопление их в тканях выше необходимого физиологического уровня, что приводит к появлению токсического действия и формированию растений с измененной морфологией. Вместе с тем, возможно наблюдать такие нежелательные для клонального микроразмножения эффекты, как подавление пролиферации пазушных меристем, образование витрифицированных (оводненных) побегов и уменьшение способности растений к укоренению. Отрицательное действие цитокининов возможно преодолеть, по данным Н.В. Катаевой и Р.Г. Бутенко, путем использования питательных сред с минимальной концентрацией цитокининов, обеспечивающих стабильный коэффициент микроразмножения, или путем чередования циклов культивирования на средах с низким и высоким уровнем фитогормонов.

3 и 4 этапы — укоренение микропобегов, их последующая адаптация к почвенным условиям и высадка в поле являются наиболее трудоемкими этапами, от которых зависит успех клонального микроразмножения. На третьем этапе, как правило, меняют основной состав среды: уменьшают в два, а иногда и в четыре раза концентрацию минеральных солей по рецепту Мурасига и Скуга или заменяют ее средой Уайта, уменьшают количество сахара до 0,5—1% и полностью исключают цитокинины, оставляя один лишь ауксин. В качестве стимулятора корнеобразования используют β-индолил-3-масляную кислоту (ИМК), ИУК или НУК.

Гипотеза: в основе микроклонального размножения земляники лежит способность изолированных частей растений восстанавливать недостающие органы и регенерировать целые растения.

Цель работы: доказать, что в основе микроклонального размножения земляники лежит способность растений к регенерации

Вложение	Размер
mikroklonalnoe_razmnozhenie_rasteniy.doc	94 КБ

Предварительный просмотр:

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

для участия в Шестой научно-практической конференции проектных и исследовательских работ учащихся медико-биологических классов

школ-партнеров Первого МГМУ им. И.М. Сеченова.

Предметная область - биология

Козявина Кристина Юрьевна

Раковский Александр Александрович

Калошина Алёна Александровна

Руководитель: Бабич Елена Викторовна

Должность: учитель биологии

Введение………………………………………………………………….….3
Гипотеза, цель и задачи исследования…………………………………….3
Объект и методы исследования……………………………………. …3
Обзор литературы по выбранной теме

Регенерация и микроклональное размножение растений………. 4
Этапы и методы микроклонального размножения растений………………………………………………………………6

5. Практическая часть

5.1 Приготовление питательной среды для культивирования изолированных органов, тканей и клеток растений……………. 7

Биотехнология – наука о методах и технологиях создания и использования генетических трансформированных биологических объектов. Один из методов биотехнологии – это микроклональное размножение (клеточная биотехнология), основанное на способности клеток и тканей к регенерации, что обеспечивает ускоренное получение ценных форм и линий сельскохозяйственных растений. Оно не зависит от сезона, позволяет получать оздоровленный посадочный материал от вирусной и бактериальной инфекции, дает возможность выращивать сотни тысяч растений из одной меристемы, размножать ценные генотипы, получать биологические препараты пищевого, кормового и медицинского направления.

2. Гипотеза, цель и задачи исследования

Задачи работы: изучить метод микроклонального размножения растений и его значение по литературным источникам; овладеть технологией приготовления питательных сред для культивирования изолированных органов и тканей; провести микроклональное размножение растений на основе их способности к регенерации; сделать выводы о проделанном исследовании.

3. Объект и методы исследования

Объект исследования: меристематические верхушки растений земляники.

Методы исследования: метод индукции адвентивных почек тканей эксплантата; наблюдение; экспериментальный метод.

Работа выполнялась в лаборатории Брянской Сельскохозяйственной Академии под руководством заведующего лабораторией биотехнологии Сковородникова Дмитрия Николаевича.

4. Обзор литературы по выбранной теме

В ходе работы были изучены публикации отечественных авторов по сельскохозяйственной биотехнологии, биотехнология сельскохозяйствен-ных растений, а так же методическое пособие по биотехнологии.

4.1. Регенерация и микроклональное размножение растений

Регенерация — способность живых организмов восстанавливать повреждённые ткани, целые органы. Значение регенерации заключается в том, что на основе клеточного и внутриклеточного обновления органов обеспечивает восстановление и компенсация функций, нарушенных в результате различных патогенных факторов.

Широкое распространение регенерации в царстве растений обусловлено сохранением у них меристем (тканей, состоящих из делящихся клеток) и недифференцированных тканей. На кончике нормального стебля имеется верхушечная почка (адвентивная), обеспечивающая непрерывное образование новых листьев и рост стебля в длину в течение всей жизни данного растения. Если отрезать эту почку и поддерживать ее во влажном состоянии, то из имеющихся в ней паренхимных клеток или из каллуса, образующегося на поверхности среза, часто развиваются новые корни, почка при этом продолжает расти и дает начало новому растению [4].

В природе существует два способа размножения растений: семенной и вегетативный. К особенностям семенного размножения следует отнести генетическую пестроту получаемого посадочного материала и длительность вегетационного периода. При вегетативном размножении сохраняется генотип материнского растения и сокращается продолжительность вегетационного периода.

Достижения с области культуры клеток и тканей привели к созданию нового метода вегетативного размножения – микроклонального размножения (получение в условиях in vitro (в пробирке), неполовым путём растений, генетически идентичны исходному экземпляру). В основе метода лежит уникальная способность растительной клетки давать начало целому растительному организму и регенерации. Первые исследования начались в конце 50-х годов 20 века, нашей стране работы проводились в лаборатории культуры тканей и морфогенеза Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева. Этот метод имеет ряд преимуществ:

Получение генетически однородного посадочного материала;
Освобождение растений от вирусов;
Высокий коэффициент размножения;
Сокращение продолжительности селекционного процесса;
Ускорение перехода растений от ювенальной к репродуктивной фазе развития;
Получение растений, трудноразмножаемых традиционными способами;
Возможность проведения работ в течение круглого года и экономия площадей, необходимых для выращивания посадочных материалов;
Возможность автоматизировать процесс выращивания.

Область применения микроразмножения разнообразна и имеет тенденцию к постоянному расширению:

Размножение взрослых древесных пород (каштан, дуб, клён, осина);
Сохранение редких и исчезающих лекарственных видов растений;
Получение вторичных метаболитов, используемых для производства лекарств (алкалоидов, глюкозидов, стероидов), вкусовых добавок (сахаров); гормонов, витаминов, белков;
Использование культурных клеток в качестве источника новых химических веществ;
Размножение и промышленное производство плодоовощных и декоративных растений [3].

Таким образом, клеточная биотехнология, основанная на способности клеток и тканей к регенерации, позволяет человеку решать многие актуальные вопросы селекции, связанные с проблемой растущего населения Земли.

4.2. Этапы и методы микроклонального размножения растений

Процесс микроклонального размножения можно разделить на 4 этапа: 1. Выбор растения-донора и получение хорошо растущей стерильной культуры;

2. Собственно микроразмножение, когда достигается максимальное количество микропобегов;

3. Ускорение развития размноженных побегов с последующей адаптацией их к почвенным условиям;

4. Выращивание растений в условиях теплицы и подготовка их к реализации и посадке в поле [3].

Изучив предложенные в литературе методы микроразмножения растений, мы выбрали метод, используемый в биотехнологической лаборатории Брянской Государственной Сельскохозяйственной Академии - индукции адвентивных почек эксплантата.

Он основан на способности изолированных частей растений при благоприятных условиях питательной среды, восстанавливать недостающие органы и регенерировать целые растения из разных частей (изолированного зародыша, листа стебля, семядолей, чешуек сегментов корней и зачатков соцветий) [3].

Мы проводили микроклональное размножение земляники. При этом изолировали меристематические верхушки этих растений и выращивали их на питательной среде Мурасиге-Скуга. Через 3-4 недели культивирования меристема развивалась в проросток, в основании которого формировались адвентивные почки, которые быстро росли и давали начало новым почкам. В течение 6-8 недель образовались конгломераты почек, связанные между собой соединительной тканью и находящиеся на разной стадии развития. Появились листья на коротких черешках, в нижней части которых сформировались новые адвентивные почки. Это почки мы разделили и, затем пересадили на свежую питательную среду. Таким образом, от одного материнского растения можно получать несколько миллионов растений-регенератов в год.

5. Практическая часть

5.1 Приготовление питательной среды для культивирования изолированных органов, тканей и клеток растений

Для обеспечения роста и развития любой растительной ткани или органа растения требуется соблюдение внешних физико-химических условий (освещённости, температуры, влажности, кислорода для дыхания, углекислого газа для фотосинтеза), поступление элементов минерального и органического питания. При культивировании растительных эксплантатов в закрытых пробирках фотосинтез затруднён, поэтому требуются более сложные по составу среды, обеспечивающие все потребности тканей или органов [2].

Культурные среды для растительных эксплантатов содержат следующие группы компонентов:

Неорганические макроэлементы в виде солей (N, P, K, S, Fe, Ca, Mg) и микроэлементы (Co, Cu, Zn, B, Mo, Mn, J, Ni);
Углеводы – сахароза, глюкоза – основа гетеротрофного питания растений in vitro, обеспечивает рост эксплантата.
Аминокислоты, получаемые при гидролизе молочного белка казеина. Они синтезируются in vitro из сахара и минеральных веществ, их добавка оказывает положительное влияние на эксплантаты из меристем.
Витамины (В1, В6, С, никотиновая кислота, и др.) – являются коферментами, обеспечивающих активность, улучшают адаптацию тканей и их рост.
Фитогормоны – стимулируют рост и деление клеток растений, направляет развитее эксплантата в нужную сторону: ауксины – получение корней, цитокинины – побеги, гиббереллин – ростстимурирующий гормон.
Желирующее вещество (агар-агар) регулирует консистенцию среды [2].

Самой популярной и универсальной минеральной основой для питательных сред является минеральная часть среды Мурасиге-Скуга (МС).

В природе существует два способа размножения растений: половой (семенной) и вегетативный. Эти способы имеют свои преимущества и недостатки. К недостаткам семенного размножения следует отнести генетическую пестроту получаемого посадочного материала и длительность ювенильного периода. При вегетативном размножении сохраняется генотип материнского растения и сокращается продолжительность ювенильного периода. Однако для большинства видов (в первую очередь для древесных пород) проблема вегетативного размножения остается до конца не решенной.

Это обусловлено следующими причинами:
1) не все породы, даже на ювенильной стадии, могут размножаться вегетативным способом с требуемой эффективностью (дуб, сосна, ель, орехоплодные и др.);

2) практически невозможно с помощью черенкования размножать многие виды древесных пород в возрасте старше 10-15 лет;

3) не всегда удается получать стандартный посадочный материал (существует возможность накопления и передачи инфекции);

4) операции при размножении взрослых (древесных) растений с помощью прививок отличаются трудоемкостью и сложностью;

5) разработанные технологии не эффективны для получения достаточного количества генетически однородного материала в течение года.

Достижения в области культуры клеток и тканей привели к созданию принципиально нового метода вегетативного размножения - клонального микроразмножения (получение в условиях in vitro (в пробирке) неполовым путем растений, генетически идентичных исходному экземпляру). В основе метода лежит уникальная способность растительной клетки реализовывать присущую ей тотипотентность, т.е. под влиянием экзогенных воздействий давать начало целому растительному организму.

Для обозначения растений, полученных бесполым размножением, в 1903 г. Уэббер из Министерства сельского хозяйства США ввел термин клон от греч. clon - черенок (побег), пригодный для размножения.

Клон - популяция клеток, возникших из одной клетки посредством митоза, или группа растений, развившихся вегетативным или бесполым путем, все члены которой произошли из одной повторно культивируемой клетки.
Клональное микроразмножение - получение in vitro неполовым путем растений, генетически идентичных исходному.

Этапы и методы клонального микроразмножения растений

Процесс клонального микроразмножения можно разделить на четыре этапа: 1 - выбор растения-донора (донор - растение, часть которого вводится в культуру), изолирование эксплантов (эксплант - ткань, взятая из своего оригинального места и перенесенная в искусственную среду для роста и поддержания жизнедеятельности) и получение хорошо растущей стерильной культуры; 2 - собственно микроразмножение, когда достигается получение максимального количества мериклонов (микропобегов); 3 - укоренение размноженных побегов с последующей адаптацией их к почвенным условиям, а при необходимости депонирование растений-регенерантов при пониженной температуре (2-10 С); 4 - выращивание растений в условиях теплицы и подготовка их к реализации или посадке в поле (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема клонального микроразмножения растений: I путь -активация развития существующих меристем; II путь - индукция возникновения адвентивных почек; 1 - выбор исходного экспланта; 2 - получение стерильной культуры; 3 - образование адвентивных почек на первичном экспланте; 4 - рост почек и формирование микропобегов; 5 - размножение микропобегов; 6 - укоренение микропобегов; 7 - депонирование растений-регенерантов; 8 - акклиматизация растений к грунту; 9 - высадка регенерантов в поле

Существует много методов клонального микроразмножения. Различные авторы, проводя индивидуальные исследования по влиянию условий культивирования эксплантов на процессы морфогенеза, наблюдали разные ответные морфогенетические реакции на изменение условий выращивания, что, в свою очередь, способствовало созданию новых классификаций методов клонального микроразмножения.

В литературе предложены следующие методы микроразмножения растений: активация развития уже существующих в растении меристем (апекс стебля, пазушные и спящие почки стебля); индукция возникновения адвентивных почек непосредственно тканями экспланта; индукция соматического эмбриогенеза; дифференциация адвентивных почек в первичной и пересадочной каллусной ткани.

Первый метод, используемый при клональном микроразмножении растений, - это активация развития уже существующих в растении меристем, основывающийся на снятии апикального доминирования. Это может быть достигнуто двумя путями:

1. Удаление верхушечной меристемы стебля (снятие апикального доминирования) и последующее микрочеренкование побега in vitro на безгормональной среде. Апикальное доминирование - подавление роста боковых почек растительного побега или наличие терминальной почки.

2. Добавление в питательную среду веществ цитокининового типа действия, индуцирующих развитие многочисленных пазушных побегов. Как правило, в качестве цитокининов используют 6-бензиламинопурин (БАП) или 6-фурфуриламинопурин (кинетин), а также 2-изопентениладенин (2-iр) и зеатин. Полученные таким образом побеги отделяют от первичного материнского экспланта (инокулюм (трансплант) - часть суспензионной или каллусной культуры, переносимой в свежую питательную среду) и вновь самостоятельно культивируют на свежеприготовленной питательной среде, стимулирующей пролиферацию пазушных меристем и возникновение побегов более высоких порядков (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Активация развития уже существующих в растении меристем, основывающаяся на снятии апикального доминирования: 1 -снятие апикального доминирования и последующее микрочеренкование побега in vitro на безгормоналыюй среде; 2 - индуцированное развитие многочисленных пазушных побегов под действием веществ цитокининового типа действия

В настоящее время этот метод широко используется в производстве безвирусного посадочного материала сельскохозяйственных культур, таких как технические (сахарная свекла, хмель, табак, топинамбур, стахис) и овощные (томаты, картофель, огурец, перец, тыква, спаржа и др.), а также для размножения культур промышленного цветоводства (гвоздика, хризантема, роза, гербера), тропических и субтропических растений (рододендрон, азалия, камелия, чай и др.), плодовых и ягодных культур (яблоня, слива, вишня, груша, виноград, малина, смородина, крыжовник и др.) и древесных растений (тополь, ива, ольха, береза, рябина, секвойя, туя, можжевельник и др.).

Для некоторых сельскохозяйственных культур, таких как картофель, технология клонального микроразмножения поставлена на промышленную основу (рис. 4.3). Применение метода активации развития существующих в растении меристем позволяет получать из одной меристемы картофеля более 105 растений в год, причем технология предусматривает получение в пробирках микроклубней - ценного безвирусного семенного материала.
Формирование растения капусты из пазушной почки показано на рис 4.4.

Рис. 4.3. Этапы размножения пробирочных растений картофеля черенкованием: а - микропобег - объект черенкования (линиями отмечены места разрезов при черенковании); б - микрочеренок на питательной среде; в - развитие растения картофеля из черенка (фото Н.В. Зобовой)

Рис. 4.4. Формирование растения капусты из пазушной почки на агаризованной питательной среде (фото Н.В. Зобовой): а - введение в культуру пазушной почки; б - развитие побега; в - формирование регенеранта

Второй метод - это индукция возникновения адвентивных почек непосредственно на тканях экспланта. (Адвентивный - добавочный побег. Развитие растений из необычных точек происхождения, например, почечные или корневые ткани, возникающие из каллуса, или зародыши, развивающиеся из других источников, а не из зигот.

Этот термин также может быть использован для описания агентов, загрязняющих клеточные культуры). Он основан на способности изолированных частей растения при благоприятных условиях питательной среды восстанавливать недостающие органы и таким образом регенерировать целые растения.

Образования адвентивных почек можно добиться почти из любых органов и тканей растения (изолированного зародыша, листа, стебля, семядолей, чешуек и донца луковицы, сегментов корней и зачатков соцветий), если их удается получить свободными от инфекции. Этот процесс, как правило, происходит на питательных средах, содержащих один цитокинин или в сочетании с ауксином, находящихся в соотношении 10:1 или 100:1. В качестве ауксина в этом случае наиболее часто используют в -индолил-3-уксусную кислоту (ИУК) или а-нафтилуксусную кислоту (НУК).

Это наиболее распространенный метод микроразмножения высших растений, которым были размножены многие луковичные цветочные растения (нарциссы, лилии, гиацинты, гладиолусы, тюльпаны) из луковичных чешуи, сегментов базальной части донца луковиц, эксплантов листьев; представители рода Бразика (капуста цветная, кочанная, брюссельская, листовая, брокколи) - из сегментов гипокотиля, котиледона, листьев; лук, чеснок - из верхушечной меристемы, ткани донца луковиц; томаты - из апикальных или пазушных меристем; салат цикорный - из сегментов листовых пластинок; петуния - из сегментов корней; глоксиния, сенполия, стрептокарпус, эшинапсус - из сегментов листовых пластинок, а также некоторые представители древесных растений - из изолированных зрелых и незрелых зародышей.

Несомненный интерес вызывает вопрос, связанный с происхождением адвентивных почек, в частности, какие клеточные слои участвуют в дифференциации меристем. Единого мнения по этому вопросу пока нет. Так, Тран Тан Ван в своих работах с тканями табака установила, что именно эпидермис является наиболее активной тканью, способной образовывать почки, каллус или корни в зависимости от гормонального баланса питательной среды.

Цитологические исследования, проведенные на сегментах базальной части донца луковиц тюльпанов и нарциссов, показали, что адвентивные побеги формируются из поверхностных слоев меристематических клеток, прилегающих к донцу, а для растений глоксинии, сенполии и стрептокарпуса процесс формирования адвентивных почек, как правило, происходит в субэпидермальных клеточных слоях листовых пластинок.

Единого мнения по этому вопросу также нет и среди исследователей, работающих с древесными растениями. Так, Арнольд и Эрихсон, Джонсон и Борнмап считают, что образование почек на изолированной хвое ели обыкновенной под действием БАП и 2ip происходит в эпидермальном слое культивируемого экспланта, по мнению Чин и Ченга, для псевдотсуги - в субэпидермальных слоях; а Вилалобос и другие утверждают, что при культивировании семядолей сосны замечательной на среде, содержащей один цитокинин, этот процесс происходит одновременно в эпидермальном и субэпидермальном слоях. Для сосны обыкновенной также было отмечено образование адвентивных почек в эпидермальном и субэпидермальном слоях семядолей зародыша. Этот процесс для сосны не зависит от применяемых цитокининов.

Третий метод, практикуемый при клональном микроразмножении, основывается на дифференциации из соматических клеток зародышеподобных структур, которые по своему внешнему виду напоминают зиготические зародыши. Этот метод получил название соматический эмбриогенез (рис. 4.5).

Основное отличие образования зародышей in vitro и in vivo (в естественных условиях) заключается в том, что соматические зародыши развиваются асексуально вне зародышевого мешка и по своему внешнему виду напоминают биполярные структуры, у которых одновременно наблюдается развитие апикальных меристем стебля и корня. Согласно Стеварду, соматические зародыши проходят три стадии развития: глобулярную, сердцевидную, торпедо-видную и в конечном счете имеют тенденцию к развитию в проросток.

Это явление впервые было отмечено в культуре клеток моркови еще в середине 50-х гг., а в настоящее время используется для размножения большинства растений из семейства Orchidaceae и Rutaceae, а также для некоторых представителей злаковых (пшеница, ячмень), люцерны, редиса, винограда и некоторых видов древесных пород (осина, эвкалипт, дуб, ель обыкновенная).

Рис. 4.5. Образование растений путем соматического эмбриогенеза на сегментах листовых пластинок сенполии (фото Н.В. Зобовой)

Формирование эмбриоидов в культуре тканей происходит в два этапа. На первом этапе клетки экспланта дифференцируются за счет добавления в питательную среду ауксинов, как правило, 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4-Д) и превращаются в эмбриональные. Для формирования эмбриоидов необходимо уменьшать концентрацию ауксина или полностью его исключать из состава питательной среды.

Соматический эмбриогенез возможно наблюдать непосредственно в тканях первичного экспланта, а также в каллусной культуре. Причем последний способ менее пригоден при клональном микроразмножении, так как посадочный материал, полученный таким методом, будет генетически нестабилен по отношению к растению-донору. Как правило, соматический эмбриогенез происходит при культивировании каллусных клеток в жидкой питательной среде (суспензии) и является наиболее трудоемкой операцией.

Однако этот метод размножения имеет свои преимущества, связанные с сокращением последнего (третьего) этапа клонального микроразмножения, не требующего подбора специальных условий укоренения и адаптации пробирочных растений, потому что соматические зародыши представляют собой полностью сформированные растеньица. При использовании соответствующей техники их капсулирования из этих эмбриоидов возможно получать искусственные семена.

Четвертый метод клонального микроразмножения - дифференциация адвентивных почек в первичной и пересадочной каллусной ткани. Каллус - неорганизованная, пролиферирующая масса дифференцированных растительных клеток. Дедифференциация - переход специализированных, неделящихся клеток к пролиферации. Практически он мало используется в целях получения посадочного материала in vitro.

Это связано с тем, что при периодическом пересаживании каллусной ткани на свежую питательную среду часто наблюдаются явления, нежелательные при микроразмножении: изменение плоидности культивируемых клеток, структурные перестройки хромосом и накопление генных мутаций, потеря морфогенетического потенциала культивируемыми клетками.

Наряду с генетическими изменениями наблюдаются изменения растений и по морфологии: низкорослость, неправильное жилкование листьев и их расположение по стеблю, образование укороченных, утолщенных междоузлий, уродливость, пониженная устойчивость к болезням и вредителям. Причем длительное культивирование каллусных клеток усугубляет эти изменения, поэтому период неорганизованного роста при микроразмножении должен быть сведен к минимуму.

Однако несмотря на некоторые недостатки, данный метод имеет свои положительные стороны и преимущества.

Во-первых, он является эффективным и экономически выгодным, так как в процессе размножения из каждой индивидуальной каллусной клетки при определенных благоприятных условиях культивирования может сформироваться адвентивная почка, дающая начало новому растению. Во-вторых, в ряде случаев он является единственно возможным способом размножения растений в культуре тканей. В-третьих, представляет большой интерес для селекционеров, так как растения, полученные данным методом, отличаются генетически и морфологически друг от друга. Это дает возможность селекционерам проводить отбор растений по хозяйственно важным признакам и оценивать их поведение в полевых условиях.

Этот метод целесообразно применять лишь к тем растениям, для которых показана генетическая стабильность каллусной ткани, а вариабельность между растениями-регенерантами не превышает уровня естественной изменчивости.

К таким растениям можно отнести амариллис, эписции, драцены, томаты, спаржу, некоторые древесные породы и другие культуры. Через каллусную культуру были размножены: сахарная свекла, некоторые представители рода Бразика, кукуруза, рис, пшеница и другие злаковые, подсолнечник, лен. Разработаны условия, способствующие регенерации растений из каллуса огурца, картофеля, томатов.

В целом методы клонального микроразмножения, несомненно, имеют ряд преимуществ перед существующими традиционными способами размножения:
- получение генетически однородного посадочного материала;
- освобождение растений от вирусов за счет использования меристемной культуры;
- высокий коэффициент размножения (10 5-10 6 - для травянистых, цветочных растений, 10 4-10 5 - для кустарниковых и древесных, 104 - для хвойных);
- сокращение продолжительности селекционного процесса;
- ускорение перехода растений от ювенильной к репродуктивной фазе развития;
- размножение растений, трудно размножаемых традиционными способами;
- возможность проведения работ в течение круглого года и экономия площадей, необходимых для выращивания посадочного материала;
- возможность автоматизации процесса выращивания.

Читайте также:

Реферат микроклональное размножение растений

Оглавление

Предварительный просмотр:

Этапы и методы клонального микроразмножения растений