Roślinne kultury in vitro – ważne narzędzie w nowoczesnej hodowli roślin. Cykl: “Nauki Rolnicze XXI wieku”.

Postęp obserwowany w wielu subdyscyplinach nauk biologicznych, także w produkcji ogrodniczej i rolniczej, czy też w medycynie i farmacji wynika z dynamicznego rozwoju biotechnologii, w tym roślinnych kultur in vitro. We współczesnym ogrodnictwie, oprócz tradycyjnych metod rozmnażania roślin, wykorzystuje się całą gamę nowoczesnych metod. Jedną z tych metod jest mikrorozmnażanie, czyli tzw. rozmnażanie roślin metodą kultur tkankowych.

Roślinne kultury in vitro to aseptyczne kultury komórek, tkanek, organów i ich części wyizolowanych z roślin macierzystych prowadzone in vitro (łac. w szkle) na syntetycznych pożywkach, w ściśle określonych warunkach. Techniki kultur in vitro pozwalają z pojedynczej komórki uzyskać określone bioprodukty lub rośliny odpowiednio zmienione bądź całkowicie nowe, w miarę możliwości najlepiej przystosowane do warunków panujących ex vitro, czyli poza „probówką” w środowisku pełnym różnego typu stresów.

Rozmnażanie roślin in vitro bazuje na wręcz nieograniczonych zdolnościach morfogenetycznych wszystkich komórek roślinnych posiadających nienaruszone jądro. Te predyspozycje żywych komórek roślinnych do zachowania pełnej informacji genetycznej oraz całkowitej zdolności rozwojowej niezależnie od stopnia ich zróżnicowania określa się mianem totipotencji. Właściwość ta pozwala w wielu przypadkach na odtworzenie kompletnego organizmu roślinnego z małych odcinków liści, pędów, korzeni bądź nawet w skrajnych przypadkach – z pojedynczych komórek.

Odkrycie przez Haberlandta w roku 1902 zjawiska totipotencji komórek roślinnych zapoczątkowało rozwój wielu technik kultur in vitro o zróżnicowanym zastosowaniu. Obecnie stale wzrasta liczba laboratoriów kultur tkankowych zarówno w Polsce jak i na świecie. Główne zastosowanie technologii kultur tkankowych polega na produkcji wysokiej jakości jednorodnego materiału roślinnego, który może być rozmnażany w sposób ciągły, niezależnie od pory roku i pogody, w warunkach wolnych od chorób. Mikrorozmnażanie odgrywa znaczną rolę w szybkim wprowadzaniu do produkcji rzadkich genotypów, w rozmnażaniu genotypów trudnych do rozmnożenia metodami tradycyjnymi i w międzynarodowej wymianie materiału roślinnego. Ma też duże znaczenie w rozmnażaniu materiału wolnego od wirusów oraz w technologii krioprezerwacji, która umożliwia utrzymanie kolekcji genotypów w stanie zamrożonym przez dłuższy czas.

Metoda kultur in vitro znalazła także zastosowanie w hodowli nowych odmian. Materiał roślinny prowadzony w laboratorium in vitro może być stabilny genetycznie, w efekcie kolejne pokolenia powstające w wyniku rozmnażania klonalnego są identyczne z osobnikami macierzystymi. Często jednak obserwuje się występowanie zmian – w pokoleniu potomnym pojawiają się inne cechy niż w organizmie wyjściowym. Zjawisko zmienności somaklonalnej obserwowane w kulturach in vitro oraz zastosowanie selekcji in vitro, jest wykorzystane do otrzymywania roślin o nowych genotypach. Zmienność tego rodzaju, zwykle występuje spontanicznie i jest w dużej mierze niekontrolowana.

Kultura in vitro sama lub w połączeniu z mutagenezą indukowaną czynnikami fizykochemicznymi
i biologicznymi może być wykorzystana do wytwarzania roślin o zwiększonej zmienności genetycznej i mutantów jako potencjalne źródło nowych odmian handlowych. Zjawisko to zostało wykorzystane do uzyskania wartościowych roślin cechujących się dużą odpornością na choroby a jednocześnie przystosowanych do zróżnicowanych warunków środowiska.

W Zakładzie Genetyki i Hodowli Roślin Ogrodniczych Uniwersytetu Przyrodniczego
w Lublinie opracowano protokoły umożliwiające efektywną mikropropagację roślin ozdobnych:

fiołka afrykańskiego (Saintpaulia ionantha) (fot.1)

Zygostates grandiflora z rodziny storczykowatych (Orchidaceae) (fot 2),

muchołówki amerykańskej (Dionaea muscipula) (fot 3),

roślin jagodowych:

truskawki (Fragaria x ananassa Duch.) (fot 4)

maliny (Rubus idaeus L.), jeżyny (Rubus fruticosus L.), jagody kamczackiej (Lonicera caerulea var. kamtschatica Sevast.), a także roślin zielarskich:

stewii (Stevia rebaudiana Bert.) (fot 5),

tarczycy bajkalskiej (Scutellaria baicalensis) (fot. 6).

Opracowano również procedury dla różnych gatunków umożliwiające otrzymanie regenerantów o zmienionym genotypie, których nowe cechy są badane w kierunku wyprowadzenia linii charakteryzujących się zwiększoną odpornością na patogeny a także zwiększoną zwartością związków nutraceutycznuch w badanych surowcach (fot. 7).

dr inż. Magdalena Dyduch-Siemińska
Instytut Genetyki, Hodowli i Biotechnologii Roślin
Wydział Agrobioinzynierii

Bairu M.W.; Aremu A.O.; Van Staden J. 2011. Somaclonal variation in plants: Causes and detection methods. Plant Growth Regul. 63, 147–173. org/10.1007/s10725-010-9554-x
Dyduch-Siemińska M. 2021. A fast and effective protocol for obtaining genetically diverse stevia (Stevia rebaudiana Bertoni) regenerants through indirect organogenesis. Agronomy Science. Vol. 76 Nr 4 s. 47-62. DOI: 10.24326/as.2021.4.4
Krishna H.; Alizadeh M.; Singh D.; Singh U.; Chauhan N.; Eftekhari M.; Kishan R. 2016. Somaclonal variations and their applications in horticultural crops improvement. 3 Biotech, 6, 54. DOI: 1007/s13205-016-0389-7
Laimer M., Rücker W. 2003. Plant Tissue Culture 100 years since Gottlieb Haberlandt. Publisher: Springer. ISBN: 3211838392 DOI: 1007/978-3-7091-6040-4
Woźny A,; Przybył K. 2007. Komórki roślinne w warunkach stresu. Tom II. Komórki in vitro. Wydawnictwo Naukowe UAM. ISBN 83-232-1411-5.

Na zdjęciach przedstawiono kultury in vitro: 1 – fiołka afrykańskiego (Saintpaulia ionantha); 2 – Zygostates grandiflora; 3- muchołówki amerykańskiej (Dionaea muscipula); 4 – truskawki (Fragaria x ananassa Duch.); 5- stewii (Stevia rebaudiana Bert.); 6 – tarczycy bajkalskiej (Scutellaria baicalensis); 7– regenerantów stewii (Stevia rebaudiana Bert.) otrzymane na drodze organogenezy pośredniej.