Cultivo de tejidos vegetales
Cultivo de células en condiciones de laboratorio

El cultivo de tejidos vegetales es un conjunto de técnicas que se utilizan para mantener o hacer crecer células, tejidos u órganos vegetales en condiciones estériles en un medio de cultivo nutritivo de composición conocida. Se utiliza ampliamente para producir clones de una planta mediante un método conocido como micropropagación . Diferentes técnicas de cultivo de tejidos vegetales pueden ofrecer ciertas ventajas sobre los métodos tradicionales de propagación, entre ellas:

Cultivo de tejidos in vitro de explantos de papa
Cultivos de tejidos vegetales que se desarrollan en un banco de semillas del USDA , el Centro Nacional para la Preservación de Recursos Genéticos.
  • La producción de copias exactas de plantas que producen flores, frutos u otros rasgos deseables particularmente buenos.
  • Para producir rápidamente plantas maduras.
  • Producir una gran cantidad de plantas en un espacio reducido.
  • La producción de múltiples plantas en ausencia de semillas o de polinizadores necesarios para producir semillas.
  • La regeneración de plantas enteras a partir de células vegetales que han sido modificadas genéticamente.
  • La producción de plantas en contenedores estériles permite trasladarlas con posibilidades muy reducidas de transmitir enfermedades, plagas y patógenos.
  • La producción de plantas a partir de semillas que de otra manera tienen muy pocas posibilidades de germinar y crecer, por ejemplo, las orquídeas y las Nepenthes .
  • Para limpiar determinadas plantas de infecciones virales y de otro tipo y multiplicar rápidamente estas plantas como "materia prima limpia" para la horticultura y la agricultura.
  • Reproducir plantas recalcitrantes necesarias para la restauración de tierras
  • Almacenamiento de material genético vegetal para salvaguardar especies vegetales nativas.

El cultivo de tejidos vegetales se basa en el hecho de que muchas partes de la planta tienen la capacidad de regenerarse y convertirse en una planta completa (las células de esas partes regenerativas de la planta se denominan células totipotentes , que pueden diferenciarse en varias células especializadas). A menudo, se pueden utilizar células individuales, células vegetales sin paredes celulares ( protoplastos ), trozos de hojas, tallos o raíces para generar una nueva planta en medios de cultivo si se proporcionan los nutrientes y las hormonas vegetales necesarios .

Técnicas utilizadas para el cultivo de tejidos vegetales in vitro

La preparación de tejido vegetal para cultivo de tejidos se realiza en condiciones asépticas bajo aire filtrado HEPA proporcionado por una cabina de flujo laminar . A continuación, el tejido se cultiva en recipientes estériles, como placas de Petri o matraces en una sala de crecimiento con temperatura e intensidad de luz controladas. Los materiales vegetales vivos del entorno están contaminados naturalmente en sus superficies (y a veces en el interior) con microorganismos , por lo que sus superficies se esterilizan en soluciones químicas (generalmente alcohol e hipoclorito de sodio o calcio ) [1] antes de tomar muestras adecuadas (conocidas como explantos ). Los explantos estériles generalmente se colocan en la superficie de un medio de cultivo sólido estéril, pero a veces se colocan directamente en un medio líquido estéril, particularmente cuando se desean cultivos de suspensión celular. Los medios sólidos y líquidos generalmente se componen de sales inorgánicas más algunos nutrientes orgánicos, vitaminas y hormonas vegetales. Los medios sólidos se preparan a partir de medios líquidos con la adición de un agente gelificante, generalmente agar purificado .

La composición del medio, en particular las hormonas vegetales y la fuente de nitrógeno (nitratos versus sales de amonio o aminoácidos) tienen efectos profundos en la morfología de los tejidos que crecen a partir del explanto inicial. Por ejemplo, un exceso de auxina a menudo dará como resultado una proliferación de raíces, mientras que un exceso de citoquinina puede producir brotes . Un equilibrio tanto de auxina como de citoquinina a menudo producirá un crecimiento desorganizado de células, o callo , pero la morfología del crecimiento dependerá de la especie de planta, así como de la composición del medio. A medida que crecen los cultivos, normalmente se cortan trozos y se subcultivan en un nuevo medio para permitir el crecimiento o para alterar la morfología del cultivo. La habilidad y la experiencia del cultivador de tejidos son importantes para juzgar qué trozos cultivar y cuáles descartar.

A medida que los brotes emergen de un cultivo, se pueden cortar y enraizar con auxina para producir plántulas que, cuando maduran, se pueden transferir a tierra para macetas para un mayor crecimiento en el invernadero como plantas normales. [2]

Vías de regeneración

Las diferencias específicas en el potencial de regeneración de diferentes órganos y explantos tienen varias explicaciones. Los factores significativos incluyen diferencias en la etapa de las células en el ciclo celular , la disponibilidad o capacidad de transportar reguladores de crecimiento endógenos y las capacidades metabólicas de las células. Los explantos de tejido más comúnmente utilizados son los extremos meristemáticos de las plantas como la punta del tallo, la punta de la yema axilar y la punta de la raíz. [3] Estos tejidos tienen altas tasas de división celular y concentran o producen las sustancias reguladoras del crecimiento requeridas, incluyendo auxinas y citoquininas.

La eficiencia de regeneración de brotes en cultivos de tejidos suele ser un rasgo cuantitativo que a menudo varía entre especies de plantas y, dentro de una misma especie, entre subespecies, variedades, cultivares o ecotipos . Por lo tanto, la regeneración mediante cultivos de tejidos puede volverse complicada, especialmente cuando deben desarrollarse muchos procedimientos de regeneración para diferentes genotipos dentro de la misma especie.

Las tres vías comunes de regeneración del cultivo de tejidos vegetales son la propagación a partir de meristemos preexistentes (cultivo de brotes o cultivo nodal), la organogénesis y la embriogénesis no cigótica .

La propagación de brotes o segmentos nodales se realiza generalmente en cuatro etapas para la producción masiva de plántulas a través de la multiplicación vegetativa in vitro , pero la organogénesis es un método estándar de micropropagación que implica la regeneración tisular de órganos adventicios o yemas axilares directa o indirectamente a partir de los explantos. La embriogénesis no cigótica es una vía de desarrollo notable que es altamente comparable a la de los embriones cigóticos y es una vía importante para producir variantes somaclonales, desarrollar semillas artificiales y sintetizar metabolitos. Debido al origen unicelular de los embriones no cigóticos, se prefieren en varios sistemas de regeneración para micropropagación, manipulación de ploidía, transferencia de genes y producción de semillas sintéticas. No obstante, la regeneración tisular a través de la organogénesis también ha demostrado ser ventajosa para estudiar los mecanismos reguladores del desarrollo de las plantas.

Elección del explante

El tejido obtenido de una planta para ser cultivado se llama explanto.

Los explantos pueden tomarse de muchas partes diferentes de una planta, incluyendo porciones de brotes, hojas, tallos, flores, raíces, células individuales indiferenciadas y de muchos tipos de células maduras, siempre que aún contengan citoplasma y núcleos vivos y sean capaces de desdiferenciarse y reanudar la división celular. Esto ha dado lugar al concepto de totipotencia de las células vegetales. [4] [5] Sin embargo, esto no es cierto para todas las células ni para todas las plantas. [6] En muchas especies, los explantos de varios órganos varían en sus tasas de crecimiento y regeneración, mientras que algunos no crecen en absoluto. La elección del material de explanto también determina si las plántulas desarrolladas a través del cultivo de tejidos son haploides o diploides . Además, el riesgo de contaminación microbiana aumenta con explantos inapropiados.

El primer método, que involucra los meristemos y la inducción de brotes múltiples, es el método preferido para la industria de la micropropagación, ya que los riesgos de variación somaclonal (variación genética inducida en el cultivo de tejidos) son mínimos en comparación con los otros dos métodos. La embriogénesis somática es un método que tiene el potencial de ser varias veces más alto en tasas de multiplicación y es susceptible de manejo en sistemas de cultivo líquido como los biorreactores.

Algunos explantos, como la punta de la raíz , son difíciles de aislar y están contaminados con microflora del suelo que se vuelve problemática durante el proceso de cultivo de tejidos. Cierta microflora del suelo puede formar asociaciones estrechas con los sistemas de raíces , o incluso crecer dentro de la raíz. Las partículas de suelo unidas a las raíces son difíciles de eliminar sin dañarlas, lo que luego permite un ataque microbiano. Esta microflora asociada generalmente sobrepasará el medio de cultivo de tejidos antes de que haya un crecimiento significativo del tejido vegetal.

Algunos tejidos cultivados tienen un crecimiento lento. Para ellos habría dos opciones: (i) optimizar el medio de cultivo; (ii) cultivar tejidos o variedades de alta respuesta. [7] La ​​necrosis puede dañar los tejidos cultivados. En general, las variedades de plantas difieren en su susceptibilidad a la necrosis en cultivos de tejidos. Por lo tanto, mediante el cultivo de variedades (o tejidos) de alta respuesta, se puede controlar. [7]

Los explantos aéreos (por encima del suelo) también son ricos en microflora indeseable. Sin embargo, se eliminan más fácilmente del explanto mediante un enjuague suave, y el resto generalmente se puede eliminar mediante la esterilización de la superficie. La mayor parte de la microflora superficial no forma asociaciones estrechas con el tejido vegetal . Dichas asociaciones generalmente se pueden detectar mediante inspección visual como un mosaico, decoloración o necrosis localizada en la superficie del explanto.

Una alternativa para obtener explantos no contaminados es tomar explantos de plántulas que se cultivan asépticamente a partir de semillas esterilizadas en la superficie. La superficie dura de la semilla es menos permeable a la penetración de agentes esterilizantes de superficie agresivos, como el hipoclorito , por lo que las condiciones aceptables de esterilización utilizadas para las semillas pueden ser mucho más estrictas que para los tejidos vegetativos.

Las plantas cultivadas en tejidos son clones . Si la planta madre original utilizada para producir los primeros explantos es susceptible a un patógeno o a una condición ambiental, todo el cultivo será susceptible al mismo problema. Por el contrario, cualquier característica positiva también permanecerá dentro de la línea.

Aplicaciones del cultivo de tejidos vegetales

El cultivo de tejidos vegetales se utiliza ampliamente en las ciencias vegetales, la silvicultura y la horticultura. Entre sus aplicaciones se incluyen:

  • La producción comercial de plantas utilizadas como plantas para macetas, jardinería y floristería, que utiliza el cultivo de meristemos y brotes para producir grandes cantidades de individuos idénticos. [8]
  • Conservar especies vegetales raras o en peligro de extinción. [9] [10]
  • Un fitomejorador puede utilizar el cultivo de tejidos para examinar células en lugar de plantas en busca de caracteres ventajosos, por ejemplo , resistencia/tolerancia a herbicidas o detección de quimeras en una etapa temprana del desarrollo. [11]
  • Crecimiento a gran escala de células vegetales en cultivo líquido en biorreactores para la producción de compuestos valiosos, como metabolitos secundarios derivados de plantas y proteínas recombinantes utilizadas como productos biofarmacéuticos . [12]
  • Cruzar especies distantemente relacionadas mediante la fusión de protoplastos y la regeneración del nuevo híbrido .
  • Estudiar rápidamente la base molecular de los mecanismos fisiológicos, bioquímicos y reproductivos en las plantas, por ejemplo, la selección in vitro de plantas tolerantes al estrés. [13]
  • Polinizar de forma cruzada especies distantemente relacionadas y luego cultivar el tejido del embrión resultante que de otro modo normalmente moriría (Rescate de embriones).
  • Para la duplicación de cromosomas y la inducción de poliploidía , [14] por ejemplo, haploides duplicados, tetraploides y otras formas de poliploides . Esto se logra generalmente mediante la aplicación de agentes antimitóticos como la colchicina o la orizalina .
  • Como tejido para transformación, seguida de pruebas a corto plazo de construcciones genéticas o de regeneración de plantas transgénicas .
  • Se pueden utilizar ciertas técnicas, como el cultivo de puntas de meristemos, para producir material vegetal limpio a partir de material infectado con virus, como la caña de azúcar, [15] las patatas y muchas especies de frutos blandos.
  • Se puede obtener la producción de especies híbridas estériles idénticas.
  • Producción a gran escala de semillas artificiales mediante embriogénesis somática [16] [17]

Ejemplos

Desarrollo de la variación somaclonal

PlantaVariante somaclonalRasgos
Caña de azúcar'Ono'Resistencia a la enfermedad de Fiji.
Citronela de Java'Bio-13' (por CIMAP, Lucknow)37% más de petróleo

Resiliencia climática

- Como en Kaveri Vaman (por NRCB, Tamil Nadu), un mutante de banano de cultivo de tejidos para soportar fuertes lluvias. [18]

Producción de metabolitos secundarios

- Como la cafeína de Coffea arabica , la nicotina de Nicotiana rustica o los ácidos fenólicos de Echinacea purpurea . [19]

Inducción de la floración

- En árboles con retraso en la floración o Bambú - donde algunas especies florecen una vez en su vida pero pueden vivir más de 50 años. [20]

Véase también

Referencias

Notas

  1. ^ Sathyanarayana, BN (2007). Cultivo de tejidos vegetales: prácticas y nuevos protocolos experimentales. IK International. pp. 106–. ISBN 978-81-89866-11-2.
  2. ^ Bhojwani, SS; Razdan, MK (1996). Cultivo de tejidos vegetales: teoría y práctica (edición revisada). Elsevier. ISBN 978-0-444-81623-8.
  3. ^ Sarkar, Snehasish; Roy, Souri; Ghosh, Sudip K.; Basu, Asitava (1 de abril de 2019). "Aplicación de la ramificación lateral para superar la obstinación de la regeneración in vitro de gandul infectado con Agrobacterium (Cajanus cajan L.)". Cultivo de células, tejidos y órganos vegetales . 137 (1): 23–32. doi :10.1007/s11240-018-01547-6. ISSN  1573-5044.
  4. ^ Vasil, IK; Vasil, V. (1972). "Totipotencia y embriogénesis en cultivos de células y tejidos vegetales". In Vitro . 8 (3): 117–125. doi :10.1007/BF02619487. PMID  4568172. S2CID  20181898.
  5. ^ Brian James Atwell; Colin GN Turnbull; Paul E. Kriedemann (1999). Plantas en acción: adaptación en la naturaleza, rendimiento en el cultivo (1.ª ed.). Archivado desde el original el 27 de marzo de 2018. Consultado el 7 de mayo de 2020 .
  6. ^ Indra K. Vasil; Trevor A. Thorpe (1994). Cultivo de células y tejidos vegetales. Springer. pp. 4–. ISBN 978-0-7923-2493-5.
  7. ^ ab Pazuki, Arman y Sohani, Mehdi (2013). "Evaluación fenotípica de callos derivados del escutelo en cultivares de arroz 'Indica'" (PDF) . Acta Agriculturae Slovenica . 101 (2): 239–247. doi : 10.2478/acas-2013-0020 .
  8. ^ Lema-Rumińska J., Kulus D., 2014. Micropropagación de cactus: una revisión. Haseltonia 19: 46-63
  9. ^ Mukund R. Shukla; A. Maxwell P. Jones; J. Alan Sullivan; Chunzhao Liu; Susan Gosling; Praveen K. Saxena (abril de 2012). "Conservación in vitro del olmo americano ( Ulmus americana ): papel potencial del metabolismo de la auxina en la proliferación sostenida de plantas". Revista canadiense de investigación forestal . 42 (4): 686–697. doi :10.1139/x2012-022.
  10. ^ Kulus D., Abratowska A., 2017. Conservación criogénica de Ajania pacifica (Nakai) Bremer et Humphries mediante la técnica de encapsulación-deshidratación. CryoLetters 38(5): 387-398(12)
  11. ^ Miler N., Kulus D., Sliwinska E., 2020. Contenido de ADN nuclear como indicador de la estabilidad del color de la inflorescencia de mutantes sólidos y quiméricos de crisantemo propagados in vitro. Cultivo de células vegetales, tejidos y órganos 143: 421-430. https://doi.org/10.1007/s11240-020-01929-9
  12. ^ Georgiev, Milen I.; Weber, Jost; MacIuk, Alexandre (2009). "Bioprocesamiento de cultivos de células vegetales para la producción en masa de compuestos específicos". Applied Microbiology and Biotechnology . 83 (5): 809–23. doi :10.1007/s00253-009-2049-x. PMID  19488748. S2CID  30677496.
  13. ^ Manoj K. Rai; Rajwant K. Kalia; Rohtas Singh; Manu P. Gangola; AK Dhawan (abril de 2011). "Desarrollo de plantas tolerantes al estrés mediante selección in vitro: una descripción general del progreso reciente". Botánica ambiental y experimental . 71 (1): 89–98. doi :10.1016/j.envexpbot.2010.10.021.
  14. ^ Aina, O; Quesenberry, K.; Gallo, M (2012). "Inducción in vitro de tetraploides en Arachis paraguariensis ". Cultivo de células, tejidos y órganos vegetales . 111 (2): 231–238. doi :10.1007/s11240-012-0191-0. S2CID  9211804.
  15. ^ Pawar, KR, Waghmare, SG, Tabe, R., Patil, A. y Ambavane, AR 2017. Regeneración in vitro de Saccharum officinarum var. Co 92005 utilizando explanto de ápice de brote. Revista internacional de ciencia y naturaleza 8(1): 154-157.
  16. ^ Waghmare, SG, Pawar, KR y Tabe, R. 2017. Embriogénesis somática en fresa (Fragaria ananassa) var. Camarosa. Revista Global de Biociencia y Biotecnología 6(2): 309 - 313.
  17. ^ Kulus D., 2019. Aplicación de semillas sintéticas en la propagación, almacenamiento y criopreservación de especies de plantas Asteraceae, [w:] Synthetic Seeds Germplasm Regeneration, Preservation and Prospects, red. Faisal A., Alatar A., ​​Springer Science & Business Media, Países Bajos, págs. 155-179. ISBN 978-3-030-24630-3, ISBN 978-3-030-24631-0 (libro electrónico), https://doi.org/10.1007/978-3-030-24631-0_6
  18. ^ Bureau, The Hindu (21 de agosto de 2023). "Tiruchi". The Hindu . ISSN  0971-751X . Consultado el 31 de agosto de 2023 . {{cite news}}: |last=tiene nombre genérico ( ayuda )
  19. ^ Lema-Rumińska J., Kulus D., Tymoszuk A., Varejão JMTB, Bahcevandziev K., 2019. Perfil de metabolitos secundarios y análisis de estabilidad genética en nuevas líneas de Echinacea purpurea (L.) Moench micropropagadas mediante embriogénesis somática. Cultivos y productos industriales 142: 111851. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111851
  20. ^ Srivastava, S.; Narula, A. (16 de enero de 2006). Biotecnología vegetal y marcadores moleculares. Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4020-3213-4.

Fuentes

  • George, Edwin F.; Hall, Michael A.; De Klerk, Geert-Jan, eds. (2008). Propagación de plantas mediante cultivo de tejidos. Vol. 1. Antecedentes (3.ª ed.). Springer. ISBN 978-1-4020-5004-6.
  • Yadav, R.; Arora, P.; Kumar, D.; Katyal, D.; Dilbaghi, N.; Chaudhury, A. (2009). "Regeneración directa de alta frecuencia de plantas a partir de segmentos de hojas, entrenudos y raíces de álamo oriental ( Populus deltoides )". Plant Biotechnology Reports . 3 (3): 175–182. doi :10.1007/s11816-009-0088-5. S2CID  42796629.
  • Singh, SK; Srivastava, S. (2006). Cultivo de tejidos vegetales. Campus Book International. ISBN 978-81-8030-123-0.
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Cultivo de tejidos vegetales .
Obtenido de "https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Cultivo_de_tejidos_vegetales&oldid=1250631100"