Основы клеточной инженерии растений. Практикум

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ

А. А. Наумова, Т. А. Наумова, С. А. Кусачева

ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ИНЖЕНЕРИИ

РАСТЕНИЙ

Практикум

Вузовское образование Саратов • 2019

4

5

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АБК — абсцизовая кислота. БАП — 6-бензиламинопурин. ГК — гибберелловая кислота.

ИУК — -индолилуксусная кислота. ИМК — индолил-3-масляная кислота. ИПК — индолил-3-пропионовая кислота.

2,4-Д — 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота. НУК — -нафтилуксусная кислота.

МС — среда Мурасиге — Скуга.

ЭДТА — этилендиаминтетрауксусная кислота. В1 — тиамин.

В6 — пиридоксин. В12 — кобаламин.

РР — никотиновая кислота. ФГ — фитогормоны.

6

ВВЕДЕНИЕ

Клеточная инженерия — один из основных разделов современной биотехнологии, позволяющая выделять и культивировать клетки и ткани многоклеточных организмов в специально подобранных условиях. Клеточная инженерия основана на использовании изолированной культуры клеток или тканей эукариотических организмов, способных давать начало целому организму. При решении практических задач основное внимание уделяется селекции, получению биологически ценных метаболитов растительного происхождения, выращиванию безвирусных растений, их клональному размножению и получению лекарственных средств.

Культивирование изолированных клеток и тканей растений в условиях in vitro — метод сохранения жизнеспособности и размножения органов или их частей, участков тканей или отдельных клеток вне организма растений донора. В асептических условиях клетки и ткани служат в качестве биологических моделей, на которых в строго контролируемых условиях, близких к естественным, представляется возможность изучения механизмов межклеточных взаимодействий.

Воснове методических приемов культивирования клеток и тканей in vitro лежат три следующих принципа:

- изолирование экспланта (клетка, фрагмент ткани, орган) от исходного растения;

- перенос экспланта в строго контролируемые, тщательно подобранные условия;

- соблюдение стерильных условий выращивания материала.

Метод культуры изолированных клеток, тканей и органов растений в условиях in vitro является самостоятельной отраслью биотехнологии. Это связано как с увеличением роли клеточных культур в фундаментальных исследованиях по генетике, физиологии растений, так и с возможностями практического использования клеточных и тканевых технологий в агропромышленном комплексе, фармацевтической и пищевой промышленностях.

Впрактикуме приведены лабораторные работы по культивированию растений in vitro: индукция и культивирование каллусной ткани, микроклональное размножение.

7

Цели освоения дисциплины

Целью практического курса «Клеточная инженерия растений» является обучение студентов методам микроклонального размножения растений на стерильных питательных средах и получение каллусных культур in vitro.

Задачами курса являются:

1.Ознакомление обучающихся с оборудованием биотехнологической лаборатории и получение навыков работы в стерильных условиях.

2.Освоение методик получения стерильных культур микроклонального размножения и культивирования растительного материала на питательных средах.

3.Формирование у учащихся представлений о современных научных разработках в области биотехнологии растений.

В результате освоения данной дисциплины студент должен:

- знать фундаментальные биологические представления в сфере профессиональной деятельности для постановки и решения новых задач;

- уметь применять методические основы проектирования, выполнения полевых и лабораторных биологических, экологических исследований, использовать современную аппаратуру и вычислительные комплексы;

- владеть способностью к абстрактному мышлению, анализу, синтезу.

8

ГЛАВА 1.

КЛЕТОЧНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ КАК НАУКА И ОТРАСЛЬ ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Микроклональное размножение растений in vitro

Достижения в области культуры клеток и тканей привели к созданию нового метода вегетативного размножения — микроклонального размножения.

Клональное микроразмножение — получение in vitro, неполовым путем, генетически идентичных исходному экземпляру растений. В основе метода лежит уникальная способность растительной клетки реализовывать присущую ей тотипотентность, т.е свойство клеток, в полной мере осуществлять присущую им генетическую информацию, обеспечивающую их дифференцировку и дальнейшее развитие до целого организма.

В соответствии с научной терминологией клонирование подразумевает получение идентичных организмов из единичных клеток.

Процесс микроклонального размножения включает 4 этапа (рис. 1):

1.Выбор растения-донора, изолирование эксплантов и получение хорошо растущей стерильной культуры.

2.Собственно микроразмножение, получение максимального количества меристематических клонов.

3.Укоренение размноженных побегов с последующей адаптацией их к почвенным условиям, а при необходимости депонирование растенийрегенерантов при пониженной температуре (+2оС, +10оС).

4.Выращивание растений в условиях теплицы и подготовка их к реализации или посадке в поле.

Рис. 1. Этапы микроклонального размножения растений

9

Этот метод имеет ряд преимуществ перед существующими традиционными способами размножения:

-получение генетически однородного посадочного материала;

-освобождение растений от вирусов за счет использования меристемной культуры;

-высокий коэффициент размножения;

-сокращение продолжительности селекционного процесса;

-размножение растений, трудно размножаемых традиционными спосо-

бами;

-возможность проведения работ в течение всего года;

-возможность автоматизации процесса выращивания.

1.2. Характеристика культур клеток, тканей и органов растений

Клеточные технологии, основанные на культивировании in vitro тканей, клеток и изолированных протопластов высших растений, направлены на облегчение и ускорение традиционных процессов размножения растений, создания новых сортов и видов.

Культивирование изолированных клеток и тканей растений в условиях in vitro — метод сохранения жизнеспособности и размножения органов или их частей, участков тканей или отдельных клеток вне организма растений донора.

Метод культуры тканей используется для получения каллусных культур, а также для микроклонального размножения in vitro.

Каллусная культура — это неорганизованная профилирующая ткань, состоящая из дедифференцированных клеток (рис. 2).

Рис. 2. Каллусная культура

10