Środowisko

Rośliny drzewiaste korzystają z in vitro

Numer 11/2019
Ukorzeniony mikropęd na pożywce agarowej. Ukorzeniony mikropęd na pożywce agarowej. Vladimir Mulder / Shutterstock
Od roślin zielnych po drzewa leśne. Pierwsze próby rozmnażania roślin in vitro rozpoczęły się ponad 100 lat temu. Jakie możliwości mamy dzisiaj?
Somatyczna embriogeneza i ­organogeneza pośrednia. Zarodki somatyczne i mikropędy tworzą się tu na kalusie, a nie bezpośrednio na eksplantacie.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Somatyczna embriogeneza i ­organogeneza pośrednia. Zarodki somatyczne i mikropędy tworzą się tu na kalusie, a nie bezpośrednio na eksplantacie.
Schemat przekroju podłużnego korzenia.Designua/Shutterstock Schemat przekroju podłużnego korzenia.
Kalus w kulturze in vitro.Tanawat Ariya/Shutterstock Kalus w kulturze in vitro.

Człowiek od zarania dziejów eksperymentował z organizmami żywymi w celu zaspokojenia swoich potrzeb. Jednym z owoców jego odwiecznej działalności jest niebywały postęp biotechnologiczny, którego dzisiaj jesteśmy świadkami. Objął on wiele dziedzin życia, m.in. medycynę, genetykę, rolnictwo czy produkcję żywności. Od połowy ubiegłego wieku obserwujemy również stały wzrost znaczenia biotechnologii w hodowli roślin, włączając rośliny drzewiaste. Dzięki osiągnięciom biotechnologicznym człowiek uniezależnił hodowlę wielu gatunków od warunków przyrodniczych, które często ograniczały lub wręcz uniemożliwiały mu osiągnięcie założonego celu. To postęp biotechnologiczny pozwolił na wyrafinowany sposób rozmnażania roślin, zwany mikrorozmnażaniem, prowadzony in vitro („w szkle”). Materiałem wyjściowym były komórki organizmu macierzystego.

Pierwsze kompletne rośliny zielne zaczęto otrzymywać, stosując hodowlę in vitro, z komórek marchwi i tytoniu w latach 40. XX w. Z drzewami dokonano tego ok. 30 lat później. Najpierw udało się z topolą osiką, która wyrosła z liścia w 1970 r. Od tamtego momentu naukowcy na całym świecie rozpoczęli intensywne badania nad mikrorozmnażaniem różnych gatunków roślin drzewiastych. Trwają one do dziś.

Cenne komórki

Opracowanie skutecznych sposobów mikrorozmnażania różnych gatunków roślin, a w szczególności roślin drzewiastych, wymaga dużego nakładu czasu i energii. Nie wszystkie komórki roślinne są bowiem zdolne do odtworzenia całego organizmu. Powszechnie wiadomo, że każda roślina zbudowana jest z rozmaitych typów komórek, różniących się budową, funkcją, zdolnością do podziałów oraz do wzrostu w sztucznych warunkach. Dlatego ważny do założenia hodowli jest przede wszystkim rodzaj tkanki. Najbardziej nadają się te zawierające komórki merystematyczne. Komórki te nie są zróżnicowane i jednocześnie wykazują zdolność do wielokrotnych i regularnych podziałów. Tkanki z takimi komórkami znajdziemy w wierzchołkach pędu i korzenia oraz w zawiązkach pędów bocznych.

Innym dobrym źródłem do założenia hodowli są fragmenty pędów, liści i korzeni, które zawierają komórki kambialne umiejscowione w wiązkach przewodzących. Po umieszczeniu takiego fragmentu rośliny, czyli eksplantatu, na sterylnej, odpowiednio dobranej pożywce zazwyczaj po kilku tygodniach wytwarzają się korzenie, pędy lub zarodki. Organy takie nie muszą koniecznie pochodzić z jednej komórki merystematycznej, ale z grupy komórek odmiennych genetycznie, dając w efekcie chimerę.

Trud mikrorozmnażania

O powodzeniu regeneracji całych roślin decydują w znacznej mierze ich przynależność systematyczna i w dalszej kolejności ich genotyp. Najłatwiej uzyskać tego typu hodowlę u gatunków roślin dwuliściennych, czyli takich, których nasiona zawierają zarodki z dwoma liśćmi zarodkowymi, tzw. liścieniami. Przykładowo bez problemu można założyć hodowlę takiej rośliny jak cykoria podróżnik, wykorzystując tkanki korzenia. Stosunkowo łatwo można też uzyskać hodowlę z komórek korzenia marchwi zwyczajnej albo z fragmentów liści tytoniu szlachetnego czy z niedojrzałych zarodków, pochodzących z nasion rzodkiewnika pospolitego.

Znacznie trudniejsza sytuacja jest w przypadku gatunków roślin jednoliściennych, takich jak trawy, czy drzewiastych. Tutaj kluczowe jest wyznaczenie na drodze eksperymentalnej takiego fragmentu rośliny, który będzie zdolny do rozmnażania w kontrolowanych warunkach kultury. U gatunków wieloletnich zdolności regeneracyjne ogranicza zwłaszcza stan zdrowotny osobników matecznych, z których pobiera się eksplantaty do założenia hodowli. Takie eksplantaty są na ogół bardziej zainfekowane patogenami (wirusy, bakterie, grzyby) niż zielne. W momencie umieszczenia eksplantatów na pożywce lub też podczas dalszej hodowli dochodzi bardzo często do uaktywnienia się patogenów, żyjących w stanie utajonym we wnętrzu tkanek roślinnych. Dlatego należy odkażać materiał do hodowli.

Jeśli uzyskamy hodowlę wolną od zanieczyszczeń patogenami, to kolejną trudnością jest niewielka liczba i obniżona jakość uzyskiwanych mikropędów. Aby mikrorozmnażanie było opłacalne, jego wydajność musi być jak największa. U roślin drzewiastych jest ona często zbyt niska. Obniżona jakość roślin może być również efektem nadmiernego uwodnienia rozwijających się mikropędów.

Kolejną poważną przeszkodą jest także słaby współczynnik ukorzeniania w końcowym etapie hodowli. Konsekwencją tego może być docelowo niska liczba prawidłowo ukształtowanych roślin, zdolnych do wzrostu w szklarniach lub szkółkach.

Różne techniki mikrorozmnażania

Prawidłowy wzrost roślin w hodowli in vitro bardzo zależy od jakości, natężenia i długości naświetlenia, poziomu wilgotności powietrza oraz temperatury otoczenia. Bardzo ważne są też rodzaj i skład zastosowanych pożywek. Muszą zawierać wszystkie niezbędne do życia roślin składniki oraz wodę – makro- i mikroelementy, witaminy, aminokwasy, węglowodany oraz regulatory wzrostu. Oczywiście w określonych dawkach.

Hodowany materiał należy co jakiś czas przenosić na świeże pożywki (pasażowanie). Powodem jest nie tylko stopniowe zużywanie składników zawartych w podłożu, ale także wydzielanie przez rośliny szkodliwych produktów przemiany materii, które negatywnie wpływają na ich dalszy wzrost i rozwój.

Do mikrorozmnażania stosuje się dwie podstawowe techniki: organogenezę i somatyczną embriogenezę. W pierwszym przypadku z fragmentu rośliny po pewnym czasie regeneruje się mikropęd, który jest następnie ukorzeniany. Natomiast w drugim z komórek wegetatywnych (somatycznych) eksplantatu formują się i rozwijają zarodki somatyczne. W efekcie uzyskujemy zarodek somatyczny zdolny do kiełkowania podobnie jak zarodek w nasieniu. Do formowania mikropędu lub zarodków może dochodzić bezpośrednio na eksplantacie albo na kalusie (mało zróżnicowanej tkance, powstałej w wyniku zranienia rośliny), który wytwarzany jest często przez eksplantat.

U roślin drzewiastych technika organogenezy jest szeroko stosowana do rozmnażania przede wszystkim gatunków ozdobnych i sadowniczych. Przykładowo techniką tą rozmnażane są różaneczniki, powojniki, figowce, róże i lilaki, a także jabłonie, magnolie, aronie czy śliwy i niektóre gatunki drzew leśnych z rodzaju brzoza, topola, świerk i modrzew. Z kolei technikę somatycznej embriogenezy stosuje się przede wszystkim w mikrorozmnażaniu drzew iglastych (z rodzaju świerk, sosna, modrzew, daglezja) i liściastych (z rodzaju eukaliptus, orzech czy dąb).

Uzyskane pędy wymagają ukorzenienia, aby mogły zostać przeniesione do warunków naturalnych. Jednak znacznie trudniej ukorzeniają się mikropędy otrzymane na drodze organogenezy, u których musi dojść do wytworzenia korzeni przybyszowych. Somatyczne zarodki posiadają natomiast już zawiązki korzenia, wystarczy tylko zapewnić odpowiednie warunki, aby organ ten się rozwinął. Dlatego, kiedy już dojdzie do kiełkowania, rośliny uzyskane w wyniku somatycznej embriogenezy są silniejsze i łatwiej aklimatyzują się do warunków naturalnych.

Atuty rozmnażania in vitro

Klonując jednego osobnika, można uzyskać nieograniczoną liczbę roślin w czasie nieporównywalnie krótszym niż przy zastosowaniu tradycyjnych metod rozmnażania wegetatywnego (np. przez ukorzenianie pędów). Dzięki mikrorozmnażaniu możemy mnożyć rośliny także wówczas, gdy posiadamy niewielką ilość materiału wyjściowego nawet tylko jednego osobnika. Przykładem jest dąb Rus, jeden z najstarszych i popularniejszych dębów pomnikowych w Polsce, mający ok. 800 lat. Naukowcy z Instytutu Dendrologii Polskiej Akademii Nauk w Kórniku sklonowali go, uzyskując ukorzenione sadzonki, będące wierną kopią drzewa matecznego.

Ale technika ta daje również szanse rozmnożenia takich gatunków drzew i krzewów, których nasiona trudno jest przechować. Przykładowo takim drzewem jest dąb, którego nasiona trudno znoszą podsuszanie, dlatego ich fragmenty przechowuje się w temperaturze ciekłego azotu (–196°C; krioprezerwacja). Następnie tkankę przenosi się do kultury in vitro i regeneruje z niej mikropędy. Mikrorozmnażanie znajduje też zastosowanie w przypadku drzew wydających nasiona nieregularnie, jak buk zwyczajny, lub elitarnych, o unikalnych cechach, ważnych z ekologicznego bądź ekonomicznego punktu widzenia.

Niebywałą zaletą rozmnażania roślin drzewiastych z wykorzystaniem kultur in vitro jest wspomniana powyżej możliwość przechowywania ich fragmentów w ciekłym azocie. Jest to bardzo istotny sposób ochrony zasobów genowych bogatego świata flory, stosowany w zachowaniu cennych gatunków drzew i krzewów w bankach genów. Aby z powodzeniem przechować materiał roślinny w takich warunkach, naukowcy w wielu laboratoriach na całym świecie, w tym również w Polsce, opracowują procedury krioprezerwacji materiału pochodzącego z kultur in vitro.

Ważnym atutem mikrorozmnażania jest również to, że z różnych części roślin, uzyskanych in vitro, np. pędów przybyszowych lub somatycznych zarodków, można wyprodukować tzw. sztuczne nasiona. Fragmenty roślin lub zarodki umieszczone są w specjalnych hydrożelowych kapsułkach, ułatwiających dłuższe przechowanie materiału roślinnego i jego transport. Technologia sztucznych nasion jest wyjątkowo przydatna w sytuacji, kiedy tradycyjne nasiona nie są wytwarzane lub też kiedy roślina została zaatakowana przez choroby wirusowe.

Niektóre techniki mikrorozmnażania można po części zautomatyzować. Taka możliwość istnieje w przypadku somatycznej embriogenezy. Somatyczne zarodki rozwijają się wówczas w specjalnych urządzeniach do prowadzenia hodowli, zwanych bioreaktorami. Tego typu rozwiązania pozwalają na masową produkcję roślin w celach komercyjnych.

Mikrorozmnażanie w praktyce

W Polsce tylko nieliczne laboratoria komercyjne rozmnażają rośliny drzewiaste z wykorzystaniem kultur tkankowych na potrzeby szkółkarskie. W związku z tym, że mikrorozmnażanie materiału szkółkarskiego jest stosunkowo trudne i kosztowne, technika ta nie cieszy się zbyt dużą popularnością w naszym kraju. Hodowla in vitro jest także rzadko stosowana w sektorze leśnym, głównie z powodu obawy przed zawężeniem zmienności genetycznej prowadzonych upraw. W krajach europejskich takich jak Francja poprzez organogenezę rozmnażane są orzech i czereśnia ptasia, a w Finlandii – brzoza. Ze względu na wysoką jakość drewno tych gatunków jest wykorzystywane m.in. do produkcji mebli.

W nielicznych krajach pozaeuropejskich na szeroką skalę produkowane są z wykorzystaniem techniki somatycznej embriogenezy sadzonki niektórych gatunków drzew iglastych i liściastych dla leśnictwa, m.in. w Kanadzie, Nowej Zelandii czy Stanach Zjednoczonych. Jednak dla wielu gatunków roślin drzewiastych technika somatycznej embriogenezy nie jest jeszcze opracowana w wystarczającym stopniu, aby mogła być wdrożona w celach komercyjnych. Nie znamy bowiem na tyle dobrze mechanizmów, które kontrolują rozwój somatycznych zarodków, aby móc tę wiedzę zastosować w praktyce. Dlatego niezbędne są dalsze badania w tym zakresie, co jest niewątpliwym wyzwaniem dla kolejnych pokoleń naukowców.

Teresa Hazubska-Przybył
Instytut Dendrologii Polskiej Akademii Nauk

01.11.2019 Numer 11/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną