Методы микроклонального размножения растений кратко

Обновлено: 06.07.2024

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

На сегодня разработан ряд различных способов биотехнологии микроклонального размножения. В их основе лежат четыре принципиальных подхода:

1) активация развития растительных меристем (апекс побега, пазушные и спящие почки побега);

2) образование адвентивных почек из тканей эксплантаты;

3) индукция соматического эмбриогенеза;

4) дифференциация адвентивных почек в первичной и перевивний каллусных ткани.

Иногда, как отдельную модель выделяют культуру пыльников.

Основным методом микроклонального размножения растений является активация пазушных меристем. Этот метод уже стал промышленным при производстве посадочного материала некоторых культур. Эта модель является наиболее надежной по плодовых и ягодных растений. Впервые эта модель была разработана на землянике в начале 70-х годов прошлого века. Этот метод базируется на снятии апикального доминирования, чего можно достичь двумя путями:

1. Получением побегов нормальных пропорций с последующим их разделением на "однобрунькови микроживци", которые используются как вторичные эксплантаты для повторения цикла размножения. Теоретическая возможность такого способа размножения составляет примерно 10 000 - 1 000 000 побегов в год.

2. Введением в питательную среду веществ с цитокининовым активностью, что приводит к формированию побегов с относительно укороченными междоузлиями, а пазушные почки дают начало новым побегам. Эксплантаты на таких средах приобретают вид пучков маленьких побегов, каждый из которых можно рекультивировать. Теоретически, возможность этого метода может составлять до 15000000000 почек или побегов в год от одного эксплантаты. Считают, что этот метод имеет минимальную степень риска относительно получения неоднородного потомства и частота появления мутантных растений не превышает частоты появления таких при обычном размножении. Метод относительно универсальный и имеет хорошую воспроизводимость в пределах вида и даже рода растений.

Второй метод - это индукция образования адвентивных почек непосредственно тканями эксплантаты. Он основан на способности изолированных частей растений при благоприятных условиях питательной среды восстанавливать недостающие органы и регенерировать целые растения (исключение составляет корневой органогенез). Почти все органы и ткани растений могут образовывать Адвентивная почки. Этот процесс, как правило, происходит на питательных средах, содержащих только цитокининов или в сочетании с ауксином в соотношении 10:1 или 100:1. С ауксинов в этом случае чаще всего используют ИОК или НОК.

Этим путем можно размножать нарциссы, лилии, гладиолусы, чеснок, лук, цветную капусту, землянику, малину, яблоню, грушу и другие.

Однако, некоторые исследователи считают, что при размножении таким способом не исключена возможность получения неоднородного потомства. Дело в том, что в тканях эксплантаты могут быть клетки с нарушенной плоидность. Прежде всего это касается тканей, состоящих из клеток, быстро отмирают, например, клетки корневого чехлика. И хотя вероятность регенерации растений из таких клеток относительно низкая, ею нельзя пренебрегать, так как in vitro эти клетки могут получить преимущество в развитии.

В некоторых случаях эффективным способом размножения растений in vitro может быть соматический эмбриогенез - это формирование зародкоподибних структур (эмбриоидов) из соматических клеток в условиях in vitro, которые при переносе на соответствующее питательную среду способны развиваться в целое растение. Соматический эмбриогенез наглядно демонстрирует тотипотентность растительных клеток.

Основное отличие образования зародышей in vitro от in vivo заключается в том, что соматические зародыши развиваются асексуальных вне зародышевым мешком и по своему внешнему виду напоминают биполярные структуры, в которых одновременно наблюдается развитие апикальных меристем стебля и корня. В некоторых случаях эмбриоидов образуются непосредственно из клеток ткани, культивируемой in vitro, - это так называемый прямой эмбриогенез. В других случаях сначала формируется Калюс, а уже из него развиваются зародыши-это косвенный эмбриогенез.

Эмбриоидов образуются из одиночных клеток, расположенных в основном на поверхности каллуса. Они отличаются плотной цитоплазмой, относительно большим ядром с увеличенным ядрышком, содержат мелкие вакуоли. Это метаболически активные клетки, богатые белками и РНК. Окружающие вакуолизирован клетки выполняют функцию "ткани-няни".

Формирование эмбриоидов в культуре тканей проходит в два этапа. На первом этапе клетки эксплантаты дедиференциюються за счет добавления в питательную среду ауксинов, как правило, 2,4-Д и превращаются в эмбриональные. На следующем этапе из этих клеток развиваются эмбриоидов. Происходит это при уменьшении концентрации ауксина или вообще полного его исключения из состава питательной среды.

Эмбриогенез легче происходит у молодых культурах. По мере удлинения срока культивирования ембриогенна активность клеток ослабляется. Так в моркови эмбриоидов начинают образовываться через 4-6 недель после получения каллуса, оптимальный возраст культуры для индукции соматического эмбриогенеза - 1520 недель 30-40-недельная культура часто теряет ембриогенний потенциал.

Четвертый метод микроклонального размножения - дифференциация адвентивных почек в первичной и перевивний каллусных ткани. Этот метод мало используется для получения посадочного метериала in vitro. Это связано с тем, что при длительном культивировании каллуса наблюдаются изменения плоидности клеток, структурные перестройки хромосом, накопления генных мутаций и уменьшение или и потеря морфогенном потенциала. Поэтому этот метод микроклоноального размножения целесообразно использовать только для тех растений, для которых присуща генетическая стабильность каллусных ткани, а вариабельность между растениями-регенерантов не превышает уровня естественной изменчивости. К таким растениям можно отнести томаты, спаржу, некоторые древесные породы. Через каллусных культур были также размножены сахарная свекла, кукуруза, рис, пшеница, подсолнечник, лен, картофель, огурец.

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.

Микроклональное размножение и оздоровление растений

Методы микроклонального размножения

Методы клонального микроразмножения

Существует много методов клонального микроразмножения, а также различных их классификаций. Согласно одной из них, предложенной Мурасиге в 1977 году, процесс можно осуществлять следующими путями:

1. Активация пазушных меристем.

2. Образование адвентивных побегов тканями экспланта.

3. Возникновение адвентивных побегов в каллусе.

4. Индукция соматического эмбриогенеза в клетках экспланта.

5. Соматический эмбриогенез в каллусной ткани.

6. Формирование придаточных эмбриоидов в ткани первичных соматических зародышей (деление первичных эмбриоидов).

Н. В. Катаева и Р. Г. Бутенко (1983) выделяют два принципиально различных типа клонального микроразмножения:

1. Активация уже существующих в растении меристем (апекс стебля, пазушные и спящие почки стебля).

2. Индукция возникновения почек или эмбриоидов de novo :

а) образование адвентивных побегов непосредственно тканями экспланта;

б) индукция соматического эмбриогенеза;

в) дифференциация адвентивных почек в первичной и пересадочной каллусной ткани.

Основной метод, использующийся при клональном микроразмножении растений - активация развития уже существующих в растении меристем. Он основан на снятии апикального доминирования (рис. 18).

Этого можно достичь двумя путями: а) удалением верхушечной меристемы стебля и последующим микрочеренкованием побега in vitro на безгормональной среде; б) добавлением 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) и зеатин.

Рис. 18. Схема размножения растений методом активации уже существующих меристем (по А. Р. Родину, Е. А. Калашниковой, 1993): 1 – путем удаления верхушечной меристемы: 2 – добавлением цитокининов в среду (б/г – среда без гормонов, Ц – цитокинин, А – ауксин)

Полученные таким образом побеги отделяют от первичного экспланта и вновь самостоятельно культивируют на свежеприготовленной питательной среде, стимулирующей пролиферацию пазушных меристем и возникновение побегов более высоких порядков.

Часто в качестве экспланта используют верхушечные или пазушные почки, которые изолируют из побега и помещают на питательную среду с цитокининами. Образующиеся пучки побегов делят, при необходимости черенкуют и переносят на свежую питательную среду. После нескольких пассажей, добавляя в питательную среду ауксины, побеги укореняют in vitro (рис. 19), а затем переносят в почву, где создают условия, способствующие адаптации растений (рис. 20).

Рис. 19. Образование корней побегами розы при добавлении в питательную среду 2 мг/л 2,4-Д

Рис. 20. Адаптация пробирочных роз к почвенным условиям

В настоящее время этот метод широко используется в производстве посадочного материала сельскохозяйственных культур, как технических, так и овощных, а также для размножения культур промышленного цветоводства (например, гвоздики, рис. 21), тропических и субтропических растений, плодовых и ягодных культур, древесных растений. Для некоторых культур, таких как картофель, технология клонального размножения поставлена на промышленную основу. Применение метода активации развития существующих меристем позволяет получать из одной меристемы картофеля более 100000 растений в год, причем технология предусматривает получение в пробирках микроклубней - ценного безвирусного семенного материала.

Рис. 21. Пробирочная гвоздика

Второй метод - индукция возникновения адвентивных почек непосредственно тканями экспланта. Он основан на способности изолированных частей растения при благоприятных условиях питательной среды восстанавливать недостающие органы и таким образом регенерировать целые растения. Можно добиться образования адвентивных почек почти из любых органов и тканей растения (изолированного зародыша, листа, стебля, семядолей, чешуек и донца луковиц, сегментов корней и зачатков соцветий). Этот процесс происходит на питательных средах, содержащих цитокинины в соотношении с ауксинами 10:1 или 100:1. В качестве ауксина используют ИУК или НУК. Таким способом были размножены многие представители семейства лилейных, томаты, древесные растения (из зрелых и незрелых зародышей).

Достаточно хорошо разработана технология клонального размножения земляники, основанная на культивировании апикальных меристем. Меристематические верхушки изолируют из молодых, свободных от вирусных болезней растений, и выращивают на питательной среде МС, содержащей БАП в концентрации 0,1 - 0,5 мг/л. Через 3 - 4 недели культивирования меристема развивается в проросток, в основании которого формируются адвентивные почки, быстро растущие и дающие начало новым почкам. В течение 6-8 недель образуется конгломерат почек, связанных между собой соединительной тканью и находящихся на разной стадии развития. Появляются листья на коротких черешках, в нижней части которых формируются новые адвентивные почки. Эти почки разделяют и пересаживают на свежую питательную среду. На среде без регуляторов роста за 4 - 5 недель формируются нормальные растения с корнями и листьями. От одного материнского растения таким образом можно получить несколько миллионов растений-регенерантов в год.

Третий метод, практикуемый при клональном микроразмножении, основывается на дифференциации из соматических клеток зародышеподобных структур, которые по своему виду напоминают зиготические зародыши (рис. 22). Этот метод получил название соматического эмбриогенеза. В отличие от развития in vivo, 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 3 стадии развития: глобулярную, сердцевидную, торпедовидную и в конечном итоге имеют тенденцию развития в проросток. На рисунке 3 показан конечный результат развития – растение пшеницы.

Рис. 22. Соматический эмбриогенез в каллусной ткани

Наиболее впечатляющим применением метода соматического эмбриогенеза стало размножение гвинейской масличной пальмы (Elaeis guineensis), масло которой широко используется при производстве маргарина и пищевого масла. Масличная пальма в природе не образует побегов и боковых ростков, что затрудняет ее вегетативное размножение. Культивирование черенков in vitro также невозможно. Было решено получить скопления клеток недифференцированной ткани (каллусы) путем дедифференцировки специфических тканей, а затем культивировать их до регенерации целых проростков. В первой культуральной среде каллусы из фрагментов листьев развивались в течение 90 дней, при переносе во вторую и третью культуральные среды превращались в "эмбриоиды". Эмбриоиды размножались самопроизвольно, в течение месяца число эмбриоидов возрастало втрое, а за год из 10 эмбрионов можно было получить потомство численностью 500000 растений.

Формирование эмбриоидов в культуре тканей осуществляется в несколько этапов. Сначала происходит дифференциация клеток под влиянием ауксинов, добавленных в питательную среду (2,4-Д) и превращение их в эмбриональные. Получить эмбриоиды из этих клеток можно уменьшая концентрацию ауксинов или исключая их из питательной среды. Соматические зародыши представляют собой полностью сформированные зародыши, из которых путем соответствующего капсулирования можно получить искусственные семена.

Четвертый метод клонального микроразмножения - дифференциация адвентивных почек в первичной и пересадочной каллусной ткани (рис. 23).

Рис. 23. Дифференциация придаточных почек в каллусной ткани

Практически он мало используется с целью получения посадочного материала in vitro. Это связано с тем, что при частом пассировании каллусной ткани может изменяться плоидность регенерируемых растений, наблюдаются структурные перестройки хромосом и накопление генных мутаций. Наряду с генетическими изменениями отмечаются и морфологические: низкорослость, неправильное жилкование листьев, образование укороченных междоузлий, пониженная устойчивость к болезням и вредителям. В то же время, некоторые недостатки этого метода в селекционной работе оборачиваются преимуществами.

Рис. 24. Формирование побегов каллусной тканью пшеницы

Кроме того, в некоторых случаях он является единственно возможным способом размножения растений в культуре тканей. Через каллусную культуру успешно размножаются сахарная свекла, злаковые (рис. 24), представители рода Brassica, подсолнечник и другие культуры.

Во многих странах мира таким образом производят посадочный материал плодовых растений - банана, цитрусовых, ананаса, клубники, а также таких культур как сахарный тростник, картофель, батат и маниока. Среди декоративных растений микроклональным путем размножают различные виды антуриума, гербер, орхидей, роз.

Сегодня метод размножения и культивирования in vitro также широко используется для решения задач сохранения и восстановления генофонда редких и исчезающих видов растений.

Крошечные кусочки листа, побега или другой части растений (экспланты) культивируют на специально подобранной питательной среде в стерильных условиях (Рисунок 1). Затем микрорастения черенкуют и укореняют уже на среде другого состава. Далее следует очень важный этап адаптации, в ходе которого нежные растительные клоны приучают к жизни в условиях атмосферы и почвогрунта. Теоретически все растения могут быть подвергнуты микроразмножению, но на практике лабораторные протоколы (точные методики с четко определенными составами сред и другими условиями) для многих растений не разработаны. Часто требуются серьезные исследования, чтобы выяснить, как именно размножать определенные культуры микроклональным путем.

Схема процесса микроклонального размножения растений в декоративном и сельскохозяйственном растениеводстве: 1 – стерилизация эксплантов, 2 – культивирование в стерильных условиях, 3 - микрочеренкование, 4 – укоренение, 5 – повторное размножение, 6 – адаптация микроклонов, 7 – высадка в грунт

Почему микроклональное размножение растений – удобный и широко используемый в мире подход для применения в сельскохозяйственном производстве? Этот способ имеет ряд серьезных преимуществ перед традиционным размножением семенами или черенкованием:

Получение генетически однородного посадочного материала;
Радикальное оздоровление растений путем удаления возбудителей вирусных, грибных, бактериальных и других инфекций;
Высокий коэффициент размножения, а значит быстрое получение большого количества посадочного материала;
Возможность проведения работ в круглогодичном режиме.

Благодаря своим особенностям микроклональное размножение растений подходит для решения специфических задач сельскохозяйственного растениеводства и садоводства:

Микроклональное размножение земляники садовой определенных сортов с получением посадочного материала для промышленного культивирования

Массовое выращивание растений с заданными качествами: микроразмножение иногда используется для получения растений с более высокой скоростью роста (которую также связывают с более низким содержанием возбудителей болезней растений в искусственно выращенном материале), образующих более компактные кусты и др.

В России сегодня работает меньше десятка предприятий, специализирующихся на микроклональном размножении растений и адаптации микроклонов. Потребности рынка при этом очень велики. При наличии квалифицированных кадров, необходимого оснащения биотехнологической лаборатории и при умелой организации процесса микроклональное размножение может стать частью технологического процесса непрерывного производства посадочного материала для сельхозпроизводителей и садоводов.

Читайте также: