Для чего культивируют растительные клетки

1.

Для чего
культивируют
растительные клетки?

2.

1. Продукция
биологически
активных веществ,
которые могут
использоваться:
- для производства
лекарственных
препаратов;
- получения пищевых
добавок, красителей;
- производства
косметических средств
и др.

3.

4.

Продукт
Действие
Вид растения
Стоимость
за 1 кг, $
Диосгенин
Синтез гормонов
Dioscorea deltoidea
1 000
Дигоксин
Сердечный гликозид
Digitalis lanata
3 000
Аймалицин
Антигипертензивное
Catharanthus roseus
37 000
Аймалин
Антиаритмическое
Rauwolfia serpentine
75 000
Подофилло- Противоопухолевое
токсин
Podophyllum spp.
800 000
Таксол
Противоопухолевое
Taxus brevifolia
2 000 000
Винкристин
Противоопухолевое
Catharanthus roseus
3 000 000

5.

Катарантус розовый
Тис ягодный

6.

Проблемы использования традиционного
лекарственного растительного сырья
1. Заготовка растительного сырья приводит к
сокращению ценных природных растительных
ресурсов и даже к исчезновению целых видов
растений.
Лишь для медико-биологических испытаний нового
противоопухолевого препарата таксола было
уничтожено 12 000 взрослых деревьев тиcа;
практически полностью исчезли в дикорастущем
состоянии женьшень, кирказон манчжурский,
солодка, золотой и маралий корень и др.
2. Растения, выросшие в природных условиях или
на плантациях, обычно содержат некоторое
количество токсичных примесей и др.

7.

Преимущества культур клеток:
1. Получение экологически чистых
продуктов независимо от климата,
сезона, погоды

8.

Преимущества культур клеток:
2. Создание клеточных линийсверхпродуцентов

9.

Преимущества культур клеток:
3. Сохранение редких и исчезающих
растений-продуцентов
За год прирост корня женьшеня в тайге
составляет 1 г (на 1 г исходного веса),
на плантанции – 3 г
При выращивании суспензии
клеток женьшеня в биореакторе
(50 л) прирост биомассы
составляет
2 г на 1 л среда за сутки,
что в 1000 раз больше, чем при
выращивании на плантации

10.

Преимущества культур клеток:
4. Экономия площадей

11.

Преимущества культур клеток:
5. Возможность оптимизировать и
стандартизировать условия
выращивания

12.

Преимущества культур клеток:
6. Возможность автоматизации
процессов

13.

Источники
получения
БАВ
Суспензионная культура
Культура трансформированных корней

14.

С использованием метода
генетически
трансформированных корней
были введены в культуру in vitro
корни более 140 видов
растений, относящихся к
40 семействам

15.

Промышленное производство БАВ растений на основе
культуры клеток налажено в Японии, США, Германии,
России и др.

16.

Япония, 1983 г. – коммерческое получение шиконина
с
помощью суспензионной культуры воробейника
краснокорневого в биореакторе вместимостью 750 л.
Шиконин является субстанцией
для лекарственных средств в
основном ранозаживляющего
действия; ингредиентом в составе
ряда парфюмернокосметических изделий
(например, в качестве
противовоспалительного
красителя в составе помады);
ингредиентом в составе пищевых
продуктов (например, в качестве
красителя-антиоксиданта).
Биотехнологический способ получения шиконина дешевле,
стабильнее, не зависит от импорта и других внешний условий.
Содержание производных шиконина в культуре клеток достигает
12,6 % от сухой массы клеток.

17.

Получение противоопухолевого препарата таксола
на основе культуры клеток тиса (Taxus sp.) –
фирма Fyton (США - Германия)

18.

Получение биомассы женьшеня
настоящего в Республике Корея

19.

20.

России принадлежит приоритет промышленного
получения биомассы культуры клеток
В конце 70-х гг. XIX в. на ряде заводов
Главмикробиопрома было
организовано производство биомассы
культуры клеток женьшеня. На ее
основе созданы медицинские
препараты (настойка «Биоженьшень»)
и косметические средства (шампунь
«Диона», лосьон «Женьшеневый» и др.)

21.

В настоящее время совместно с НПФ
«Биофармтокс» (С-Петербург) на основе
биомассы культуры клеток полисциаса
Polyscias filicifolia созданы:
• нутрицевтики «Витагмал»,
«Трифитол»
• серия мазей «Витагмалин»

22.

В настоящее время наиболее
перспективно использование культур
клеток растений для получения:
- противоопухолевых препаратов
(типа таксола, камптотецина);
- антивирусных препаратов, особенно анти-ВИЧ
(типа кастаноспермина);
- адаптогенных и стимулирующих препаратов
(из биомассы различных видов женьшеня,
полисциаса, родиолы розовой, маральего корня), ;
- индивидуальных БАВ (гинзенозидов, терпеноидных
гликозидов и др.) с широким спектром активности.

23.

2. Клональное размножение растений –
использование техники in vitro для быстрого получения
неполовым путем растений, идентичных исходному
По своей сути аналогично вегетативному
размножению растений

24.

Клонирование
in vitro
Стерильные условия
Вегетативное
размножение
Нестерильные условия
Экспланты малого размера Крупные экспланты
(мм)
(см)
Менее контролируемые
Строго контролируемые
условия выращивания
условия выращивания
Высокие коэффициенты
размножения
Низкие коэффициенты
размножения
Большие первоначальные
затраты
Номинальные расходы

25.

В основе технологии лежит
высокая способность к
регенерации у растений, а также
наличие тотипотентности у
большинства соматических клеток

26.

Впервые этот метод применил французский исследователь
Ж. Морель в 1960 г. для размножения орхидей (Cymbidium).
Из апикальной меристемы исходного растения ему удалось в
течение года получить около четырех миллионов новых
растений

27.

Технология клонального размножения растений
сегодня является основой функционирования
коммерческих предприятий во многих странах мира

28.

Во Франции 94% всей
продукции цветочных
культур получают
методом культуры
изолированных клеток и
тканей

29.

Commercial Orchid Cloning Labs

30.

Clonal Propagation of Foliage Plants
Twyford Lab

31.

Clonal Propagation of Fruit Crops

32.

Commercial Production of Ferns by Tissue Culture

33.

Mechanical Transplanting of Tissue Culture Grown Plants

34.

Tissue Cultured Ferns Grown in Greenhouses

35.

Staghorn Ferns Grown from Tissue Culture

36.

Hydrangeas Clonally Propagated from Clean Stock Plants
Mycoplasma infected plants are routinely cleaned by meristem cultures

37.

Использование технологии клонального
микроразмножения растений в Республике
Беларусь
Разработаны технологии производства посадочного
материала 30 сортов голубики высокой методом
микроклонального размножения
(ГНУ «Центральный ботанический сад НАН
Беларуси»; КФК «Ягодка», ЧПУП «Крок», УО
«Полесский государственный университет» и др.)
Оптимизированы технологии
производства оздоровленного
посадочного материала сирени
обыкновенной, рододендрона
гибридного, гибридов орхидных
(ГНУ «Центральный ботанический
сад НАН Беларуси»)
Проводятся работы по получению саженцев
лесообразующих пород
(ГНУ «Институт леса НАН Беларуси»)

38.

ПРЕИМУЩЕСТВА:
1) высокий коэффициент размножения
(105-106 — для травянистых, цветочных растений,
104-105 — для кустарниковых древесных,
104 — для хвойных);

39.

ПРЕИМУЩЕСТВА:
2) возможность проведения работ в течение
года и экономия площадей, необходимых для
выращивания посадочного материала;

40.

ПРЕИМУЩЕСТВА:
3) получение генетически однородного
посадочного материала, оздоровленного от
бактериальной и грибной инфекции;
4) сокращение продолжительности
селекционного процесса;
5) размножение растений, трудно
размножаемых традиционными способами;
6) возможность автоматизации процессов
размножения и выращивания.

41.

СПОСОБЫ КЛОНАЛЬНОГО
МИКРОРАЗМНОЖЕНИЯ
Размножение
пазушными
побегами
Размножение
адвентивными
побегами
Соматический
эмбриогенез
Наиболее широко
используемый и простой
метод
Возможно проявление
генетической
нестабильности
Пока мало используется,
но является самым
эффективным

42.

Размножение пазушными
побегами
Основано на снятии апикального
доминирования
Апикальное
доминирование –
подавление
роста боковых
почек за счет
преимущественного развития
верхушечных

43.

Удаление верхушки
Внесение в питательную
среду высоких
концентраций
цитокининов

44.

Микрочеренкование

45.

От одной стерильной
почки можно получить
несколько тысяч
растений в год.
Например, при
культивировании
меристемы малины
in vitro удается
получить
потомство численностью
до 50 000 растений,
тогда как обычная
техника
черенкования
обеспечивает получение
50 растений в год.

46.

Размножение адвентивными
побегами
Адвентивные
(придаточные) побеги
могут образовываться
на листьях, стеблях и
корнях растений

47.

Размножение адвентивными
побегами
Этот процесс
происходит на
питательных средах,
содержащих
высокие
концентрации
цитокининов

48.

Соматический эмбриогенез –
наиболее яркое свидетельство
тотипотентности растительной
клетки
Из соматической клетки
образуется эмбриоид (зародыш),
дающий начало целому растению

49.

Гвинейская
масличная
пальма
Были получены каллусы
из молодых листьев, в
которых в течение
месяца число
эмбриоидов
увеличивалось в 3 раза
так, что
примерно из 10
эмбриоидов за год
можно было получить
потомство
более 500 000 растений

50.

Для массового клонирования Coffea arabica сорт Catimor
разработана автоматизированная система выращивания клеточной
суспензии, с помощью которой удалось получить 1884 эмбриоида в
50 мл питательного раствора.

51.

Способность к образованию
больших количеств
(несколько миллионов и
более) соматических
зародышей в условиях
in vitro используется для
массового получения
"искусственных семян"

52.

3. Получение растений, оздоровленных от
вирусной, бактериальной и грибной
инфекций

53.

4. Ускорение селекционного процесса на
основе методов клеточной инженерии
Введение органелл в
протопласт

54.

Клеточная инженерия -
конструирование клеток нового типа
на основе их гибридизации, введения
органелл и др.

55.

Технологии получения
гибридов in vitro:
- оплодотворение in vitro;
- эмбриокультура;
- соматическая гибридизация

56.

Соматическая гибридизация - это
метод получения гибридных растений в
результате слияния протопластов,
изолированных из соматических клеток
родительских форм
Клетка, в которой слияния
ядер не произошло

57.

СОМАТИЧЕСКАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ
МЕЖВИДОВАЯ
МЕЖСЕМЕЙСТВЕННАЯ
МЕЖРОДОВАЯ

58.

Примеры межвидовой соматической
гибридизации
1972 г. (Карлсон) первый межвидовой
гибрид (табак)
Nicotiana glauca × Nicotiana langsdorfii
Каллус гибрида мог
расти на
безгормональной среде.
Гибридное растение
цвело.

59.

Примеры межвидовой соматической
гибридизации
Гибриды, полученные при скрещивании
между сортами культурного картофеля и
его дикого вида
Культурный картофель:
крупные клубни;
восприимчивость
к болезням
Дикий картофель:
мелкие клубни, высокая
устойчивость к многим
заболеваниям

60.

Примеры межвидовой соматической
гибридизации
Гибридизация
петуний

61.

Примеры межродовой соматической
гибридизации
1978 г. (Мельхерс) первый межродовой гибрид
Картофель × Томат = Помато
Гибрид был
стерилен,
морфологически
аномален:
толстые корни,
отсутствие
типичных
столонов,
махровые
цветки

62.

Примеры межродовой соматической
гибридизации
1997 г. (Кисава и сотр.) межродовой
соматический гибрид
Ячмень × Рис
Часть полученных каллусов сформировали побеги.
Только один побег сформировал корни, и это растение было
успешно перенесено в почву.
По морфологии было близко к растениям риса.
Растение имело хромосомы от риса и от ячменя, содержало
новые последовательности и в митохондриальной, и в
хлоропластной ДНК, которые не обнаруживались ни в одном из
родителей.

63.

Примеры соматической гибридизации
Межсемейственные гибриды
Соя × Табак
Горошек × Табак
Лук × Табак
Межцарственные гибриды
"животное + растение"
Протопласты арабидопсиса × Лимфоциты человека
Протопласты табака × Лимфоциты человека
Протопласты моркови × Клетки амфибий

64.

Перенос в протопласты
клеточных органелл
Хлоропласты и митохондрии отличаются
наличием собственной ДНК, могут
делиться самостоятельно, независимо
от деления клетки.
Трансплантация высокоэффективных
хлоропластов может способствовать
активации фотосинтеза и повышению
продуктивности растений

65.

5. Получение трансгенных растений
Генная инженерия - совокупность
методик, позволяющих выделять
нужный ген из генома одного
организма и вводить его в геном
другого организма

66.

Самые распространенные трансгенные
растения
1 место (51% площадей)
2 место (31%)
3 место (13%)
4 место (5%)
Соя
Обогнала по
захваченной
площади свой
«традиционный»
аналог
Кукуруза
Хлопок
Рапс

67.

НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ,
для решения которых осуществляется
генетическая трансформация растений:
повышение устойчивости растений к биотическим
и абиотическим стрессам (бактериальным,
грибным, вирусным инфекциям, насекомымвредителям, гербицидам, засолению и др.);
улучшение качеств запасных белков зерна;
повышение эффективности азотфиксации и
расширение круга культурных растений, способных
к симбиотической фиксации азота;
создание сверхпродуцентов биологически
активных веществ.

68.

69.

Рейтинг коммерциализированных
трансгенных растений:
гербицидоустойчивые культуры ;
культуры, устойчивые к насекомым-вредителям;
комбинированные культуры (оба этих признака)

70.

Карта трансгенного мира

71.

За год трансгенные посадки в среднем увеличиваются на 10–15 %

72.

6. Сохранения генофонда высших растений
Разработка методов длительного культивирования позволяет
формировать банки клеточных линий, обладающих
определёнными генетическими и биохимическими свойствами.
Крисохранение –
хранение объектов при
температуре жидкого
азота (-196ºС).

73.

Криосохранение обеспечивает наиболее
длительное сохранение коллекционных объектов
(десятки и сотни лет) и всех их свойств
Земляника после хранения
при -196ºС
Роза после хранения
при -196ºС