Biotechnologia roślin a postęp biologiczny

Czynniki, od których zależy
wynik kultury in vitro:
1.
•
•
•
•
•
2.
•
•
•
Wewnętrzne (związane bezpośrednio z eksplantatem):
genotyp rośliny, dawcy eksplantatu (rodzaj, gatunek,
odmiana)
rodzaj organu, tkanki oraz jego wielkość
stopień zróżnicowania eksplantatu
stan fizjologiczny rośliny dawcy eksplantatu
wiek rośliny dawcy eksplantatu
Zewnętrzne:
światło – spektrum, natężenie, cykl dobowy
temperatura
pożywka
Funkcje pożywki:
1. Dostarcza składników do wzrostu i rozwoju
ekspalantatów
2. Odbiera metabolity wtórne i substancje
szkodliwe oraz je neutralizuje
3. Spełnia rolę fizycznego utrzymania
Wybór odpowiedniej pożywki
musi uwzględniać:
• Specyfikę uprawianego obiektu (gatunek,
odmiana, wymagania pokarmowe);
• Stopień złożoności ekspalntatu (fragmenty
organów roślinnych, konkretne tkanki,
zawiesina komórek, protoplasty);
• Cel kultury i jego zgodność z naturalnym
wzorem rozwojowym uprawianego
obiektu.
Najczęściej używane pożywki
1. O wszechstronnym zastosowaniu
– MS – Murashige i Skoog, 1962;
– LS – Linsmeier i Skoog, 1965
– B5 – Gamborg i in. 1968
2. Inne
– N6 – Nitsch i Nitsch, 1969 – kultura pylników
– K3 – Kao i in. 1974 – kultura protoplastów
– WPM – Lloyd i McCown, 1981 – rośliny
drzewiaste
Składniki pożywki:
1. Makroelementy – podawana w postaci soli
rozpuszczalnych w wodzie
2. Mikroelementy – podawana w postaci soli
rozpuszczalnych w wodzie
3. Związki organiczne:
A. Witaminy
a)
b)
c)
d)
Kwas nikotynowy
Pirydoksyna
Tiamina
M-inosytol
B. Aminokwasy
a) Glicyna
C. Źródło węgla organicznego
a) Monocukry – glukoza, fruktoza
b) Dwucukry – sacharoza
Regulatory wzrostu:
1) Auksyny:
A. Naturalne
a) IAA – kwas indolilo-3-octowy
b) IBA – kwas indolilo-3-masłowy
B. Syntetyczne
a) NAA – kwas naftylo-1-octowy
b) 2,4-D – kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy
c) 2,4,5-T –kwas 2,4,5-trichlorofenoksyoctowy
d) Dicamba - kwas 2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesowy
e) Picloran - kwas 4-amino-3,5,6-trichloropikolinowy
2) Cytokininy:
a)
b)
c)
d)
e)
Zeatyna – 6-(γ-hydroksymetylo, γ-metyloalliloamino)puryna
Kinetyna – N-6-furfuryladenina (Kin)
6-benzyloaminopuryna (BAP)
2-izopentyloadenina (2iP)
Thidiazuron - 1-fenylo-3-(1,2,3-thiadiazolo-5-ylo) mocznik
Regulatory wzrostu:
3) Gibereliny:
a) Kwas giberelinowy – GA3
4) Inhibitory wzrostu:
a) ABA – kwas abscysynowy
Mikrorozmnażanie roślin
• Technika mikrorozmnażania (rozmnażania
klonalnego) pozwala rozmnożyć w warunkach in
vitro materiał roślinny z niewielkich fragmentów
roślin, tkanek lub pojedynczych komórek i otrzymać
tym sposobem dużą ilość sadzonek w stosunkowo
krótkim czasie.
• Jako eksplantaty pierwotne wykorzystywane są tu
przede wszystkim tkanki merystematyczne,
składające się z młodych, szybko dzielących się
komórek. Tkanki te pozbawione są patogenów
grzybowych i wirusów, stąd dają początek zdrowym
roślinom
Mikrorozmnażanie (rozmnażanie klonalne, szybkie klonowanie)
Tytuł scMikrorozmnażanie (rozmnażanie klonalne, szybkie klonowanie)hematu
Mikrorozmnażanie
Embriogeneza somatyczna
bezpośrednia
pośrednia
kultura merystemów
(rozwój pąków bocznych)
Organogeneza
bezpośrednia
pośrednia
kultura fragmentów pędów
(rozwój pąków bocznych)
Mikrorozmnażanie in vitro
• Rozmnażanie cennych materiałów
występujących w nielicznych
egzemplarzach;
• Rozmnażanie materiałów matecznych;
• Tworzenie klonów z materiałów
mieszańcowych;
• Produkcja zdrowego materiału;
• Produkcja sadzonek in vitro;?
Embriogeneza somatyczna
Embriogeneza somatyczna
sposób wegetatywnego rozmnażania roślin
polegający na indukcji rozwoju zarodków
somatycznych (embrioidów) z tkanki
somatycznej w warunkach in vitro.
Embriogeneza somatyczna
• Pozwala na uniezależnienie produkcji cennego
materiału siewnego od czynników klimatycznych;
• Umożliwia przyspieszenie tworzenia nasion u
roślin charakteryzujących się długim cyklem ich
produkcji;
• Somatyczne zarodki mogą być bezpośrednio lub
po wysuszeniu i/lub otoczkowaniu
wykorzystywane jako tzw. sztuczne nasiona
(someseed, artifficial seed, synthetic seed).
Embriogeneza somatyczna i
zygotyczna - podobieństwa i różnice
Embriogeneza in vivo
zygotyczna
z zapłodnionej
komórki jajowej
apomiktyczna
z niezapłodnionych
komórek woreczka
zalążkowego
Embriogeneza in vitro
somatyczna
gametyczna
z mikrospor
z komórek
somatycznych
kalus
z izolowanych i
połączonych gamet
Etapy embriogenezy
Embriogeneza somatyczna i zygotyczna podobieństwa
W procesie somatycznej embriogenezy roślin
dwuliściennych występują podobne stadia
rozwojowe takie jak wczesno-, środkowo- i
późnoglobularne, wczesno- i późnosercowate
torpedy i liścieniowe.
Embriogeneza somatyczna i zygotyczna różnice
1.
2.
3.
4.
Zarodki zygotyczne in vivo
rozwijają się w woreczku
zalążkowym w wyniku
fuzji gamet.
Zarodki zygotyczne
podczas rozwoju w
stadium
wczesnoglobularnym
rozwijają suspensor, który
zanika w stadium torpedy
lub pozostaje w stadium
szczątkowym.
Globularne stadia
zarodków zygotycznych są
mniejsze niż
somatycznych.
Merystem wierzchołkowy
zarodków zygotycznych
jest lepiej rozwinięty.
1.
2.
3.
4.
Zarodki somatyczne
rozwijają się w warunkach
in vitro bezpośrednio lub
pośrednio z komórek
eksplantatu pierwotnego.
Zarodki somatyczne nie
mają suspensora.
Globularne stadia
zarodków somatycznych są
większe niż zygotycznych.
Merystem wierzchołkowy
zarodków somatycznych
jest słabiej rozwinięty.
5.
6.
7.
8.
Zarodki zygotyczne
wytwarzają jeden liścień
(rośliny jednoliścienne) lub
dwa liścienie (rośliny
dwuliścienne).
Rozwojowi zarodka
zygotycznego towarzyszy
rozwój bielma.
Zarodki zygotyczne otoczone są
zawsze okrywą nasienną.
Rozwój zygotycznego zarodka
kończy się powolnym
odwodnieniem, które powoduje
stopniową redukcję
metabolizmu, zatem wraz z
utrata wody z tkanek nasienia
zarodek przechodzi w stan
spoczynku.
5.
6.
7.
8.
9.
Zarodki somatyczne
wytwarzają dwa i więcej
liścieni i często są one drobne.
W rozwoju zarodka
somatycznego nie ma procesu
tworzenia się bielma.
Zarodki somatyczne nie są
okryte okrywą nasienną, stąd
nie ma stadium liścieniowego w
postaci „laski”.
Zarodki somatyczne naturalnie
nie przechodzą procesu
uśpienia, kiełkują
przedwcześnie.
Zarodki somatyczne produkują
takie same materiały zapasowe
jak zygotyczne, ale w innym
czasie i w innych ilościach.
Geneza zarodków powstających w
wyniku embriogenezy somatycznej:
1. Pojedyncza komórka → zarodek
2. Pojedyncza komórka → PEM → zarodek
Embriogeneza somatyczna
Pojedyncza komórka → zarodek
• Większość zarodków somatycznych
wywodzi się bezpośrednio z pojedynczej
komórki.
• Jest to możliwe, gdy eksplantatami są
zarodki zygotyczne, komórki ośrodka,
synergidy lub epiderma liścieni.
Pojedyncza komórka → PEM → zarodek
• Pojedyncza komórka dzieląc się doprowadza do
wytworzenia niewielkiej grupy komórek zwanej
proembriogeniczną masą komórek – PEM (ang.
pre-embryogenic mass).
• Cechą charakterystyczną komórek tworzących
PEM jest to, że nie rozłączają się po podziałach i
wszystkie komórki wchodzące w skład
pojedynczego PEM-u uczestniczą w formowaniu
jednego lub kilku zarodków somatycznych.
• Jest to możliwe w przypadku zawiesin
komórkowych, kultur kalusa lub protoplastów.
Bezpośrednia embriogeneza
somatyczna
• Zarodki somatyczne formują się bezpośrednio
tylko z tych komórek roślinnych, które są
kompetentne już w momencie izolowania z rośliny
macierzystej, czyli z proembriogenicznie
zdeterminowanych komórek – PEDCs (ang. preembryogenically determined cells) - komórek
predysponowanych do różnicowania zarodków.
• PEDCs charakteryzują się małymi rozmiarami,
stosunkowo gęstą cytoplazmą, małymi wakuolami,
dużym jądrem z wyraźnymi jąderkami oraz
plastydami z ziarnami skrobi. Cechują się dużą
aktywnością podziałową i metaboliczną.
Bezpośrednia embriogeneza
somatyczna
• Po przeniesieniu na pożywkę PEDCs
następuje wyzwolenie naturalnych zdolności
embriogennych komórek i rozpoczynają się
intensywne podziały komórkowe.
• Bodźcem wyzwalającym proces
embriogenezy bezpośredniej jest głównie
egzogenna auksyna.
eksplantat (zawiera PEDCs)
zarodek