stringtranslate.com

Каллус (биология клетки)

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.

Клетки паренхимы Nicotiana tabacum в культуре

Индукция каллуса и культивирование тканей

Клетки каллуса, образующиеся в процессе, называемом «индукцией» у Pteris vittata

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.

Каллус, индуцированный гаметофитами Pteris vittata

Морфология

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.

Отмирание клеток каллуса

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]

Использует

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]

История

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 ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Что такое культура растительных тканей?
  2. ^ Такеда, Рейджи; Като, Кенджи (1981). «Рост и продукция сесквитерпеноидов клетками Calypogeia granulata inoue в суспензионной культуре». Planta . 151 (6): 525–530. Bibcode :1981Plant.151..525T. doi :10.1007/BF00387429. PMID  24302203. S2CID  21074846.
  3. ^ Петерсон, М (2003). «4-гидроксилаза коричной кислоты из клеточных культур роголистника Anthoceros agrestis ». Planta . 217 (1): 96–101. Bibcode : 2003Plant.217...96P. doi : 10.1007/s00425-002-0960-9. PMID  12721853. S2CID  751110.
  4. ^ Beutelmann, P.; Bauer, L. (1 января 1977 г.). «Очистка и идентификация цитокинина из клеток мха». Planta . 133 (3): 215–217. Bibcode :1977Plant.133..215B. doi :10.1007/BF00380679. PMID  24425252. S2CID  34814574.
  5. ^ Атмане, Н (2000). «Гистологический анализ непрямого соматического эмбриогенеза в болотном плауне Lycopodiella inundata (L.) Holub (Pteridophytes)». Plant Science . 156 (2): 159–167. doi :10.1016/S0168-9452(00)00244-2. PMID  10936522.
  6. ^ Ян, Сюэси; Чен, Хуэй; Сюй, Вэньчжун; Он, Женьян; Ма, Ми (2007). «Гипераккумуляция мышьяка каллусами, спорофитами и гаметофитами Pteris vittata, культивируемыми in vitro ». Отчеты о растительных клетках . 26 (10): 1889–1897. дои : 10.1007/s00299-007-0388-6. PMID  17589853. S2CID  20891091.
  7. ^ Чавес, В.М.; Литц, Р.Э.; Монрой, М.; Мун, ПА; Вовидес, А.М. (1998). «Регенерация растений Ceratozamia euryphyllidia (Cycadales, Gymnospermae) из эмбриогенных листовых культур, полученных от деревьев в зрелой фазе». Plant Cell Reports . 17 (8): 612–616. doi :10.1007/s002990050452. PMID  30736513. S2CID  29050747.
  8. ^ Jeon, MeeHee; Sung, SangHyun; Huh, Hoon; Kim, YoungChoong (1995). «Производство гинкголида B в культивируемых клетках, полученных из листьев Ginkgo biloba L.». Plant Cell Reports . 14 (8): 501–504. doi :10.1007/BF00232783. PMID  24185520. S2CID  20826665.
  9. ^ Файнер, Джон Дж.; Крибель, Говард Б.; Беквар, Майкл Р. (1 января 1989 г.). «Инициация эмбриогенного каллуса и суспензионных культур восточной белой сосны ( Pinus strobus L. )». Plant Cell Reports . 8 (4): 203–206. doi :10.1007/BF00778532. PMID  24233136. S2CID  2578876.
  10. ^ О'Дауд, Ниам А.; Макколи, Патрик Г.; Ричардсон, Дэвид Х.С.; Уилсон, Грэм (1993). «Производство каллуса, суспензионная культура и in vitro выход алкалоидов эфедры». Культура клеток, тканей и органов растений . 34 (2): 149–155. doi :10.1007/BF00036095. S2CID  25019305.
  11. ^ Чен, Ин-Чунь; Чан, Чен; Чан, Вэй-чин (2000). «Надежный протокол регенерации растений из каллусной культуры Phalaenopsis». In Vitro Cellular & Developmental Biology - Plant . 36 (5): 420–423. doi :10.1007/s11627-000-0076-5. S2CID  30272969.
  12. ^ Беррис, Джейсон Н.; Манн, Дэвид Дж. Дж.; Джойс, Блейк Л.; Стюарт, К. Нил (10 октября 2009 г.). «Улучшенная система культивирования тканей для производства эмбриогенного каллуса и регенерации растений в просо ( Panicum virgatum L. )». BioEnergy Research . 2 (4): 267–274. Bibcode : 2009BioER...2..267B. doi : 10.1007/s12155-009-9048-8. S2CID  25527007.
  13. ^ Мурасиге, Тосио; Ф. Скуг (июль 1962 г.). «Пересмотренная среда для быстрого роста и биоанализа с культурами табачной ткани». Physiologia Plantarum . 15 (3): 473–497. doi :10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x. S2CID  84645704.
  14. ^ ab White, PR (февраль 1939). «Потенциально неограниченный рост иссеченного растительного каллуса в искусственном питательном веществе». American Journal of Botany . 26 (2): 59–4. doi :10.2307/2436709. JSTOR  2436709.
  15. ^ Ллойд, Г.; Б. Маккаун (1981). «Коммерчески осуществимое микроразмножение горного лавра, Kalmia latifolia, с использованием культуры верхушек побегов». Объединенные труды, Международное общество по размножению растений . 30 : 421–427.
  16. ^ Gamborg, OL; RA Miller; K Ojima (апрель 1968). «Потребности в питательных веществах суспензионных культур корневых клеток сои». Experimental Cell Research . 50 (1): 151–158. doi :10.1016/0014-4827(68)90403-5. PMID  5650857.
  17. ^ Wang, X.-D.; Nolan, KE; Irwanto, RR; Sheahan, MB; Rose, RJ (10 января 2011 г.). «Онтогенез эмбриогенного каллуса у Medicago truncatula: судьба плюрипотентных и тотипотентных стволовых клеток». Annals of Botany . 107 (4): 599–609. doi :10.1093/aob/mcq269. PMC 3064535. PMID 21224270  . 
  18. ^ Сидоров, Владимир; Гилбертсон, Ларри; Аддае, Принс; Дункан, Дэвид (апрель 2006 г.). «Трансформация каллуса кукурузы, полученного из проростков, с помощью агробактерий». Plant Cell Reports . 25 (4): 320–328. doi :10.1007/s00299-005-0058-5. ISSN  0721-7714. PMID  16252091. S2CID  22588581.
  19. ^ Он, Ян; Го, Сюлянь; Лу, Ран; Ню, Бэй; Пасапула, Виджая; Хоу, Пей; Цай, Фэн; Сюй, Ин; Чен, Фанг (2009). «Изменения морфологии и биохимических показателей побуревшего каллуса, полученного из гипокотилей Jatropa curcas». Культура растительных клеток, тканей и органов . 98 (1): 11–17. doi : 10.1007/s11240-009-9533-y. S2CID  44470975.
  20. ^ Дэн, Инхуэй; Армстронг, Чарльз Л.; Донг, Джимми; Фэн, Сяоронг; Фрай, Джойс Э.; Кейтли, Грег Э.; Мартинелл, Брайан Дж.; Робертс, Гейл А.; Смит, Лори А.; Тан, Лалейн Дж.; Дункан, Дэвид Р. (2009). «Липоевая кислота — уникальный усилитель трансформации растений». In Vitro Cellular & Developmental Biology - Plant . 45 (6): 630–638. doi :10.1007/s11627-009-9227-5. S2CID  19424435.
  21. ^ Пазуки, Арман и Сохани, Мехди (2013). «Фенотипическая оценка каллюсов, полученных из щитка, в сортах риса 'Indica'» (PDF) . Acta Agriculturae Slovenica . 101 (2): 239–247. doi : 10.2478/acas-2013-0020 . Получено 2 февраля 2014 г. .
  22. ^ Скуг, Ф.; Миллер, КО (1957). «Химическая регуляция роста и формирования органов в растительных тканях, культивируемых in vitro». Симпозиумы Общества экспериментальной биологии . 11 : 118–130. ISSN  0081-1386. PMID  13486467.
  23. ^ Шеридан, Уильям Ф. (1975). «Культура тканей кукурузы I. Индукция каллуса и рост». Physiologia Plantarum . 33 (2): 151–156. doi :10.1111/j.1399-3054.1975.tb03783.x. ISSN  1399-3054.
  24. ^ Штефанчич, Матея; Штампар, Франси; Остерк, Грегор (1 декабря 2005 г.). «Влияние IAA и IBA на развитие корней и качество листовых черенков Prunus 'GiSelA 5'». ХортСайенс . 40 (7): 2052–2055. doi : 10.21273/HORTSCI.40.7.2052 . ISSN  0018-5345.
  25. ^ Раздан, МК (2003). Введение в культуру растительных тканей (2-е изд.). Энфилд, Нью-Гэмпшир [ua]: Oxford Publishers. ISBN 1-57808-237-4.
  26. ^ Gautheret, Roger J. (1 декабря 1983 г.). «Культура растительной ткани: история». The Botanical Magazine Tokyo . 96 (4): 393–410. doi :10.1007/BF02488184. S2CID  26425105.
  27. ^ Чавла, Х.С. (2002). Введение в биотехнологию растений (2-е изд.). Энфилд, Нью-Гэмпшир: Science Publishers. ISBN 1-57808-228-5.