Введение

Растущая масса неорганизованных клеток паренхимы растений. Растительный каллюс (множественное число – каллюсы или калли) – это растущая масса неорганизованных клеток паренхимы растений. В живых растениях каллюсные клетки – это клетки, покрывающие рану растения. В биологических исследованиях и биотехнологии образование каллюса индуцируется из образцов растительной ткани (эксплантов) после стерилизации поверхности и помещения на среду для культивирования тканей in vitro (в закрытом сосуде для культивирования, например, в чашке Петри). Для инициирования образования каллюса или соматического эмбриогенеза культуральная среда дополняется регуляторами роста растений, такими как ауксин, цитокинин и гиббереллин. Инициирование каллюса описано для всех основных групп наземных растений.

Индукция кальса и культура тканей

Было показано, что виды растений, представляющие все основные группы наземных растений, способны образовывать каллус в культуре тканей. Культура клеток каллуса обычно поддерживается на гелеобразной среде. Среда для индукции каллуса состоит из агара и смеси макро- и микроэлементов, предназначенных для данного типа клеток. Существует несколько типов базовых солевых смесей, используемых в культуре тканей растений, наиболее известны модифицированная среда Мурашиге и Скоуг, среда Уайта и среда для древесных растений. Для стимуляции роста также добавляют витамины, такие как витамины Гамборга B5. Для растительных клеток особенно важно обогащение азотом, фосфором и калием. Растительный каллус обычно происходит из соматических тканей. Ткани, используемые для инициирования образования каллуса, зависят от вида растения и доступности тканей для эксплантационной культуры. Клетки, дающие начало каллусу и соматическим эмбрионам, обычно быстро делятся или частично недифференцированы, например, меристематическая ткань. Однако у люцерны (Medicago truncatula) каллус и соматические эмбрионы происходят из мезофильных клеток, подвергающихся дедифференцировке. Растительные гормоны используются для инициирования роста каллуса. После образования каллуса концентрацию гормонов в среде можно изменить, чтобы переключить развитие с каллуса на образование корней, рост побегов или соматический эмбриогенез. Затем ткань каллуса подвергается дальнейшему росту и дифференцировке клеток, формируя соответствующие зачатки органов. Полностью развитые органы затем можно использовать для регенерации новых зрелых растений.

Морфология

Специфические соотношения ауксина к цитокинину в питательной среде для культуры растительных тканей приводят к образованию неорганизованной, растущей и делящейся массы клеток – каллуса. Каллусные культуры часто классифицируют как компактные или рыхлые. Компактный каллус обычно зеленый и плотный, в то время как рыхлый каллус имеет белый или кремово-желтый цвет, легко распадается и может быть использован для получения клеточных суспензионных культур и соматических зародышей. У кукурузы эти два типа каллуса обозначаются как тип I (компактный) и тип II (рыхлый). Каллус может непосредственно подвергаться органогенезу и/или эмбриогенезу, в результате чего клетки формируют совершенно новое растение.

Смерть клеток кальса

Калл может буреть и отмирать в процессе культивирования, главным образом из-за окисления фенольных соединений. В каллусных клетках *Jatropha curcas* мелкие организованные клетки становились дезорганизованными и разнокалиберными после появления побурения. Побурение также связывают с окислением и фенольными соединениями как в тканях экспланта, так и в выделениях экспланта. У риса, вероятно, условия, благоприятные для индукции каллуса из щитка, также вызывают некроз.

Применение

Клетки каллюса не обязательно генетически однородны, поскольку каллюс часто формируется из структурной ткани, а не из отдельных клеток. Тем не менее, клетки каллюса часто считаются достаточно сходными для проведения стандартного научного анализа, как если бы он выполнялся на одном образце. Например, в эксперименте половина каллюса может быть подвергнута воздействию в качестве экспериментальной группы, а другая половина – аналогичному, но неактивному воздействию в качестве контрольной группы. Растительные каллюсы, полученные из различных типов клеток, могут дифференцироваться в целое растение в процессе, называемом регенерацией, путем добавления растительных гормонов в культуральную среду. Эта способность известна как тотипотентность. Классический эксперимент, проведенный Фольке Скоугом и Карлосом О. Миллером на табачном соке, использованном в качестве исходного экспланта, показал, что добавление в культуральную среду различных соотношений концентраций ауксина и цитокинина индуцирует образование корней – более высокое соотношение ауксина к цитокинину стимулирует укоренение (ризогенез), применение равных количеств обоих гормонов стимулирует дальнейший рост каллюса, а увеличение соотношения ауксина к цитокинину в пользу цитокинина приводит к развитию побегов. Регенерация целого растения из одной клетки позволяет исследователям, работающим с трансгенами, получать целые растения, содержащие копию трансгена в каждой клетке. Регенерация целого растения, содержащего как генетически трансформированные, так и нетрансформированные клетки, приводит к образованию химеры. В целом, химеры не подходят для генетических исследований или сельскохозяйственных применений. Гены могут быть введены в клетки каллюса с помощью биолистической бомбардировки, также известной как генный пистолет, или Agrobacterium tumefaciens. Клетки, получившие интересующий ген, затем могут быть регенерированы в целые растения с использованием комбинации растительных гормонов. Полученные целые растения могут быть использованы для экспериментального определения функций генов или для улучшения признаков сельскохозяйственных культур в современном сельском хозяйстве. Каллюс особенно полезен при микроклональном размножении, где его можно использовать для выращивания генетически идентичных копий растений с желаемыми характеристиками. Для повышения урожайности, эффективности и выживаемости эксплантов при микроклональном размножении уделяется тщательное внимание оптимизации протокола микроклонального размножения. Например, использование эксплантов, состоящих из клеток с низкой тотипотентностью, может увеличить время, необходимое для получения каллюса достаточного размера, что увеличит общую продолжительность эксперимента. Аналогичным образом, различные виды растений и типы эксплантов требуют специфических растительных гормонов для индукции каллюса и последующего органогенеза или эмбриогенеза – для формирования и роста каллюса кукурузы ауксин 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-D) был более эффективен, чем 1-нафтилуксусная кислота (NAA) или индолилуксусная кислота (IAA), в то время как развитие каллюса было подавлено в эксплантах сливы после применения ауксина индолилуксусной кислоты (IBA), но не IAA.

История

Анри Луи Духамель дю Монсо исследовал реакции заживления ран у вязов и первым сообщил об образовании каллюса на живых растениях. В 1908 году Э. Ф. Саймон смог индуцировать каллюс из стеблей тополя, который также образовывал корни и почки. Первые сообщения об индукции каллюса in vitro поступили от трех независимых исследователей в 1939 году. П. Уайт индуцировал каллюс из опухолевой прокамбиальной ткани гибридного Nicotiana glauca, который не требовал гормональной стимуляции. Готьере и Нобекур смогли поддерживать культуру каллюса моркови, добавляя гормон ауксин.