Каллюс растений (множественное число каллусов или каллусов ) представляет собой растущую массу неорганизованных клеток паренхимы растения . У живых растений каллусные клетки — это клетки, покрывающие рану растения. В биологических исследованиях и биотехнологиях образование каллуса индуцируется из образцов растительной ткани (эксплантов) после поверхностной стерилизации и высева на среду для культуры ткани in vitro (в закрытом культуральном сосуде, таком как чашка Петри ). [1] В культуральную среду добавляют регуляторы роста растений , такие как ауксин , цитокинин и гиббереллин , чтобы инициировать образование каллуса или соматический эмбриогенез . Зарождение каллуса 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] Культуру клеток каллуса обычно поддерживают на гелевой среде. Среда для индукции каллуса состоит из агара и смеси макро- и микроэлементов для данного типа клеток. Существует несколько типов смесей базальных солей, используемых в культуре тканей растений, но наиболее известны модифицированные среды Мурасиге и Скуга , [13] среда Уайта, [14] и древесная растительная среда. [15] Витамины, такие как витамины Gamborg B5, [16] также предназначены для ускорения роста. Для растительных клеток особенно важно обогащение азотом , фосфором и калием . Каллюс растений обычно происходит из соматических тканей. Ткани, используемые для инициации образования каллуса, зависят от вида растения и от того, какие ткани доступны для культуры эксплантатов . Клетки, дающие начало каллусу и соматическим эмбрионам, обычно подвергаются быстрому делению или частично недифференцированы, как, например, меристематическая ткань. Однако у люцерны ( Medicago truncatula ) каллус и соматические зародыши происходят из клеток мезофилла , которые подвергаются дедифференцировке . [17] Растительные гормоны используются для инициации роста каллуса. После образования каллуса концентрацию гормонов в среде можно изменить, чтобы сместить развитие от каллуса к образованию корней, росту побегов или соматическому эмбриогенезу. Затем ткань каллуса подвергается дальнейшему росту и дифференцировке клеток, образуя зачатки соответствующих органов. Полностью развитые органы затем можно использовать для регенерации новых зрелых растений.
Определенные соотношения ауксина и цитокинина в среде культуры тканей растений приводят к неорганизованному росту и делению массы каллусных клеток. Каллусные культуры часто разделяют на компактные и рыхлые. Компактные каллусы обычно зеленые и прочные, тогда как рыхлые каллусы имеют цвет от белого до кремово-желтого, легко распадаются и могут использоваться для создания клеточных суспензионных культур и соматических эмбрионов. У кукурузы эти два типа каллуса обозначаются как тип I (компактный) и тип II (рыхлый). [18] Каллус может непосредственно подвергаться прямому органогенезу и/или эмбриогенезу , при котором клетки образуют совершенно новое растение.
Каллус может потемнеть и погибнуть во время культивирования, в основном из-за окисления фенольных соединений . В каллусных клетках Jatropa curcas мелкие организованные каллусные клетки становились дезорганизованными и менялись по размеру после того, как произошло потемнение. [19] Потемнение также связано с окислением и фенольными соединениями как в тканях эксплантата, так и в секретах эксплантата. [20] У риса, по-видимому, состояние, благоприятное для индукции щиткового каллуса, также вызывает некроз. [21]
Клетки каллуса не обязательно генетически однородны, поскольку каллус часто состоит из структурной ткани, а не из отдельных клеток. [ необходимы разъяснения ] Тем не менее, клетки каллуса часто считаются достаточно похожими, чтобы можно было проводить стандартный научный анализ, как если бы на одном объекте. Например, в ходе эксперимента половина каллуса может подвергаться лечению в качестве экспериментальной группы , а другая половина подвергается аналогичному, но неактивному лечению, как в контрольной группе .
Каллюсы растений, полученные из разных типов клеток, могут дифференцироваться в целое растение (процесс, называемый регенерацией), за счет добавления растительных гормонов в культуральную среду. Эта способность известна как тотипотентность . Классический эксперимент Фолке Скуга и Карлоса О. Миллера с сердцевиной табака, используемой в качестве стартового эксплантата, показывает, что добавление в культуральную среду концентраций ауксина и цитокинина с различными соотношениями концентраций ауксина и цитокинина индуцирует образование корней – при более высоком соотношении ауксина к цитокинину происходит укоренение ( ризогенез), применение равных количеств обоих гормонов стимулирует дальнейший рост каллуса, а увеличение соотношения ауксина и цитокинина в пользу цитокинина приводит к развитию побегов. [22] Регенерация целого растения из одной клетки позволяет исследователям -трансгенистам получать целые растения, в каждой клетке которых есть копия трансгена. Регенерация целого растения, содержащего несколько генетически трансформированных клеток и часть нетрансформированных клеток, дает химеру . В целом химеры бесполезны для генетических исследований или сельскохозяйственного применения.
Гены могут быть вставлены 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 . Целые растения, которые будут восстановлены, могут быть использованы для экспериментального определения функций генов или для улучшения характеристик сельскохозяйственных культур для современного сельского хозяйства.
Каллус особенно полезен при микроразмножении , где его можно использовать для выращивания генетически идентичных копий растений с желаемыми характеристиками. Чтобы повысить урожайность, эффективность и выживаемость эксплантатов при микроразмножении, тщательное внимание уделяется оптимизации протокола микроразмножения. Например, использование эксплантов, состоящих из клеток с низкой тотипотентностью, может продлить время, необходимое для получения каллуса достаточного размера, увеличивая общую продолжительность эксперимента. Точно так же различные виды растений и типы эксплантов требуют определенных растительных гормонов для индукции каллуса и последующего органогенеза или эмбриогенеза - для образования и роста каллусов кукурузы ауксин 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D) превосходил 1-нафталинуксусную кислоту. кислотой (НАА) или индол-3-уксусной кислотой (ИУК), тогда как в эксплантатах чернослива тормозилось развитие каллуса после применения ауксина индол-3-масляной кислоты (ИБК), но не ИУК. [23] [24]
Анри-Луи Дюамель дю Монсо исследовал реакцию заживления ран у вязов и первым сообщил об образовании каллуса на живых растениях. [25]
В 1908 г. Э. Ф. Симону удалось вызвать каллус из стеблей тополя, который также дал корни и почки. [26] Первые сообщения об индукции каллюса in vitro поступили от трех независимых исследователей в 1939 году. [27] П. Уайт индуцировал каллус, полученный из опухолеобразующих прокамбиальных тканей гибрида Nicotiana glauca , который не требовал гормональных добавок. [14] Готре и Нобекур смогли сохранить каллусные культуры моркови, используя добавки гормона ауксина. [ нужна цитата ]