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.
Plant callus (plural calluses or calli) is a growing mass of unorganized plant parenchyma cells. In living plants, callus cells are those cells that cover a plant wound. In biological research and biotechnology callus formation is induced from plant tissue samples (explants) after surface sterilization and plating onto tissue culture medium in vitro (in a closed culture vessel such as a Petri dish). The culture medium is supplemented with plant growth regulators, such as auxin, cytokinin, and gibberellin, to initiate callus formation or somatic embryogenesis. Callus initiation has been described for all major groups of land plants.
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.