Растительный каллу́с (множественное число каллусы или калли ) — это растущая масса неорганизованных клеток растительной паренхимы . У живых растений каллусные клетки — это те клетки, которые покрывают рану растения. В биологических исследованиях и биотехнологии образование каллюса индуцируется из образцов растительной ткани (эксплантов) после поверхностной стерилизации и высева на среду для культивирования тканей in vitro (в закрытом культуральном сосуде, таком как чашка Петри ). [1] Культуральная среда дополняется регуляторами роста растений , такими как ауксин , цитокинин и гиббереллин , для инициирования образования каллюса или соматического эмбриогенеза . Инициирование каллюса было описано для всех основных групп наземных растений.
Было показано, что виды растений, представляющие все основные группы наземных растений, способны производить каллус в культуре тканей. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] Культура клеток каллуса обычно поддерживается на гелевой среде. Среда индукции каллуса состоит из агара и смеси макро- и микроэлементов для данного типа клеток. Существует несколько типов базальных солевых смесей, используемых в культуре тканей растений, но наиболее заметными являются модифицированная среда Мурасиге и Скуга , [13] среда Уайта, [14] и среда для древесных растений. [15] Витамины, такие как витамины Гамборга B5, [16] также предоставляются для усиления роста. Для растительных клеток особенно важно обогащение азотом , фосфором и калием . Растительный каллус обычно получают из соматических тканей. Ткани, используемые для инициирования образования каллуса, зависят от вида растения и от того, какие ткани доступны для культивирования эксплантов . Клетки, которые дают начало каллусу и соматическим эмбрионам, обычно подвергаются быстрому делению или частично недифференцированы, как меристематическая ткань. Однако у люцерны ( Medicago truncatula ) каллус и соматические эмбрионы происходят из клеток мезофилла , которые подвергаются дедифференциации . [17] Для инициирования роста каллюса используются растительные гормоны . После того, как каллус сформирован, концентрация гормонов в среде может быть изменена, чтобы сместить развитие от каллюса к образованию корней, росту побегов или соматическому эмбриогенезу. Затем каллусная ткань подвергается дальнейшему росту клеток и дифференциации, образуя соответствующие зачатки органов. Полностью развитые органы затем могут быть использованы для регенерации новых зрелых растений.
Определенные соотношения ауксина к цитокинину в среде культивирования растительной ткани приводят к образованию неорганизованной растущей и делящейся массы клеток каллуса. Культуры каллуса часто в целом классифицируются как компактные или рыхлые. Компактные каллусы обычно зеленые и прочные, в то время как рыхлые каллусы имеют цвет от белого до кремово-желтого, легко распадаются и могут использоваться для создания культур суспензии клеток и соматических эмбрионов. У кукурузы эти два типа каллуса обозначаются как тип I (компактный) и тип II (рыхлый). [18] Каллус может напрямую подвергаться прямому органогенезу и/или эмбриогенезу , где клетки сформируют совершенно новое растение.
Каллус может побуреть и погибнуть во время культивирования, в основном из-за окисления фенольных соединений . В клетках каллуса Jatropha curcas небольшие организованные клетки каллуса стали неорганизованными и различались по размеру после того, как произошло побурение. [19] Побурение также было связано с окислением и фенольными соединениями как в тканях экспланта, так и в секрециях экспланта. [20] У риса, предположительно, условие, которое благоприятствует индукции щиткового каллуса, также вызывает некроз. [21]
Клетки каллуса не обязательно генетически однородны, поскольку мозоль часто состоит из структурной ткани, а не из отдельных клеток. [ необходимо уточнение ] Тем не менее, клетки каллуса часто считаются достаточно похожими для проведения стандартного научного анализа, как если бы это был один и тот же субъект. Например, в эксперименте половина каллуса может подвергаться лечению в качестве экспериментальной группы , в то время как другая половина подвергается аналогичному, но неактивному лечению в качестве контрольной группы .
Растительные каллусы, полученные из множества различных типов клеток, могут дифференцироваться в целое растение, этот процесс называется регенерацией, посредством добавления растительных гормонов в культуральную среду. Эта способность известна как тотипотентность . Классический эксперимент Фолке Скуга и Карлоса О. Миллера на табачной сердцевине, используемой в качестве исходного экспланта, показывает, что добавление в культуральную среду различных соотношений концентрации ауксина к цитокинину вызывает образование корней — при более высоком соотношении ауксина к цитокинину индуцируется укоренение (ризогенез), применение равных количеств обоих гормонов стимулирует дальнейший рост каллуса, а увеличение соотношения ауксина к цитокинину в пользу цитокинина приводит к развитию побегов. [22] Регенерация целого растения из одной клетки позволяет исследователям трансгенетики получать целые растения, которые имеют копию трансгена в каждой клетке. Регенерация целого растения, которое имеет некоторые генетически трансформированные клетки и некоторые нетрансформированные клетки, дает химеру . В целом химеры бесполезны для генетических исследований или сельскохозяйственных целей.
Гены могут быть введены в клетки каллуса с помощью биолистической бомбардировки, также известной как генная пушка , или Agrobacterium tumefaciens . Клетки, которые получают интересующий ген, затем могут быть восстановлены в целые растения с помощью комбинации растительных гормонов . Восстановленные целые растения могут быть использованы для экспериментального определения функции(й) гена(ов) или для улучшения характеристик сельскохозяйственных культур для современного сельского хозяйства.
Каллус особенно полезен в микроразмножении , где его можно использовать для выращивания генетически идентичных копий растений с желаемыми характеристиками. Для повышения урожайности, эффективности и выживаемости эксплантов микроразмножения тщательно следят за оптимизацией протокола микроразмножения. Например, использование эксплантов, состоящих из клеток с низкой тотипотентностью, может продлить время, необходимое для получения каллуса достаточного размера, увеличивая общую продолжительность эксперимента. Аналогичным образом, различные виды растений и типы эксплантов требуют специфических фитогормонов для индукции каллуса и последующего органогенеза или эмбриогенеза — для образования и роста каллусов кукурузы ауксин 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) превосходил 1-нафтилуксусную кислоту (НАА) или индол-3-уксусную кислоту (ИУК), в то время как развитие каллуса было затруднено в эксплантах чернослива после применения ауксина индол-3-масляной кислоты (ИМК), но не ИУК. [23] [24]
Анри-Луи Дюамель дю Монсо исследовал реакции заживления ран у вязов и был первым, кто сообщил об образовании каллюса на живых растениях. [25]
В 1908 году Э. Ф. Саймону удалось индуцировать каллус из стеблей тополя, которые также давали корни и почки. [26] Первые сообщения об индукции каллуса in vitro поступили от трех независимых исследователей в 1939 году. [27] П. Уайт индуцировал каллус, полученный из опухолеобразующих прокамбиальных тканей гибрида Nicotiana glauca , которым не требовалась гормональная добавка. [14] Готере и Нобекур смогли поддерживать культуры каллуса моркови, используя добавки гормона ауксина. [ необходима цитата ]