Cultivo de tejidos vegetales

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El cultivo de tejidos vegetales es un conjunto de técnicas utilizadas para mantener o cultivar células, tejidos u órganos vegetales en condiciones estériles en un medio de cultivo nutritivo de composición conocida. Se utiliza ampliamente para producir clones de plantas 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:
In vitro cultivo de tejido de explantes de patata
Cultivos de tejido vegetal cultivados en un banco de semillas USDA, el Centro Nacional de Preservación de Recursos Genéticos.
  • La producción de copias exactas de plantas que producen flores, frutas u otros rasgos deseables particularmente buenos.
  • Para producir rápidamente plantas maduras.
  • Para producir un gran número de plantas en un espacio reducido.
  • La producción de múltiples plantas en ausencia de semillas o contaminantes necesarios para producir semillas.
  • La regeneración de plantas enteras de células vegetales que han sido modificadas genéticamente.
  • La producción de plantas en contenedores estériles les permite moverse con posibilidades muy reducidas de transmisión de enfermedades, plagas y patógenos.
  • La producción de plantas de semillas que de otro modo tienen muy bajas posibilidades de germinar y crecer, por ejemplo, orquídeas y Nepenthes.
  • Limpiar plantas particulares de infecciones virales y de otro tipo y multiplicar rápidamente estas plantas como 'sala limpia' para la horticultura y la agricultura.
  • Reproduce recalcitrant plants required for land restoration
  • Almacenamiento de material vegetal genético para salvaguardar especies vegetales nativas.
El cultivo de tejidos vegetales se basa en la capacidad de muchas partes de la planta para regenerarse y formar una planta completa (las células de estas partes regenerativas se denominan células totipotentes, que pueden diferenciarse en diversas células especializadas). Células individuales, células vegetales sin pared celular (protoplastos), fragmentos de hojas, tallos o raíces pueden utilizarse a menudo para generar una nueva planta en medios de cultivo, siempre que se cuente con los nutrientes y las fitohormonas necesarias.

Técnicas utilizadas para cultivo de tejido vegetal en vitro

La preparación de tejido vegetal para cultivo tisular se realiza en condiciones asépticas bajo aire filtrado con filtro HEPA proporcionado por una cabina de flujo laminar. Posteriormente, el tejido se cultiva en recipientes estériles, como placas de Petri o matraces, en una cámara de crecimiento con temperatura e intensidad de luz controladas. Los materiales vegetales vivos del entorno se contaminan naturalmente en sus superficies (y a veces en su interior) con microorganismos, por lo que sus superficies se esterilizan en soluciones químicas (generalmente alcohol e hipoclorito de sodio o calcio) antes de tomar muestras adecuadas (conocidas como explantos). Los explantos estériles suelen colocarse sobre la superficie de un medio de cultivo sólido estéril, pero a veces se colocan directamente en un medio líquido estéril, especialmente cuando se desean cultivos celulares en suspensión. Los medios sólidos y líquidos generalmente se componen de sales inorgánicas, además de algunos nutrientes orgánicos, vitaminas y fitohormonas. 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 fitohormonas y la fuente de nitrógeno (nitrato versus sales de amonio o aminoácidos), influyen profundamente en la morfología de los tejidos que crecen a partir del explanto inicial. Por ejemplo, un exceso de auxina suele provocar la proliferación de raíces, mientras que un exceso de citoquinina puede producir brotes. Un equilibrio entre auxina y citoquinina suele producir un crecimiento desorganizado de células, o callo, pero la morfología del crecimiento dependerá de la especie vegetal y de la composición del medio. A medida que los cultivos crecen, se suelen cortar fragmentos y subcultivarlos en un nuevo medio para permitir el crecimiento o modificar su morfología. La habilidad y la experiencia del cultivador de tejidos son importantes para determinar qué fragmentos cultivar y cuáles descartar.A medida que los brotes emergen de un cultivo, se pueden cortar y enraizar con auxina para producir plántulas que, al madurar, se pueden transferir a tierra para macetas para que sigan creciendo en el invernadero como plantas normales.

Vías de regeneración

Las diferencias específicas en el potencial de regeneración de los distintos órganos y explantos tienen diversas explicaciones. Los factores significativos incluyen las diferencias en la etapa del ciclo celular, la disponibilidad o capacidad de transportar reguladores de crecimiento endógenos y las capacidades metabólicas de las células. Los explantos de tejido más utilizados son los extremos meristemáticos de las plantas, como el ápice del tallo, el ápice de la yema axilar y el ápice de la raíz. Estos tejidos presentan altas tasas de división celular y concentran o producen las sustancias reguladoras del crecimiento necesarias, como auxinas y citoquininas.La eficiencia de la regeneración de brotes en cultivos de tejidos suele ser una característica cuantitativa que varía entre especies vegetales y, dentro de una misma especie, entre subespecies, variedades, cultivares o ecotipos. Por lo tanto, la regeneración en cultivos de tejidos puede complicarse, especialmente cuando es necesario desarrollar numerosos 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 mediante multiplicación vegetativa in vitro. Sin embargo, 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 explantos. La embriogénesis no cigótica es una vía de desarrollo notable, muy similar a la de los embriones cigóticos, y es una vía importante para la producción de variantes somaclonales, el desarrollo de semillas artificiales y la síntesis de metabolitos. Debido al origen unicelular de los embriones no cigóticos, son los preferidos en varios sistemas de regeneración para la micropropagación, la manipulación de la ploidía, la transferencia génica y la producción de semillas sintéticas. No obstante, la regeneración tisular mediante organogénesis también ha demostrado ser ventajosa para el estudio de los mecanismos reguladores del desarrollo vegetal.

Elección de explantes

El tejido obtenido de una planta para su cultivo se denomina explanto.Los explantos pueden obtenerse de diversas partes de la planta, incluyendo porciones de brotes, hojas, tallos, flores, raíces, células individuales indiferenciadas y de diversos tipos de células maduras, siempre que contengan citoplasma y núcleos vivos y sean capaces de desdiferenciarse y reanudar la división celular. Esto ha dado origen al concepto de totipotencia de las células vegetales. Sin embargo, esto no se aplica a todas las células ni a todas las plantas. En muchas especies, los explantos de diversos 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 mediante cultivo de tejidos son haploides o diploides. Asimismo, el riesgo de contaminación microbiana aumenta con explantos inadecuados.El primer método, que involucra los meristemos y la inducción de brotes múltiples, es el preferido en la industria de la micropropagación, ya que el riesgo de variación somaclonal (variación genética inducida en el cultivo de tejidos) es mínimo en comparación con los otros dos métodos. La embriogénesis somática es un método con el potencial de alcanzar tasas de multiplicación varias veces mayores y es compatible con 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, lo que resulta problemático durante el proceso de cultivo de tejidos. Cierta microflora del suelo puede formar asociaciones estrechas con el sistema radicular o incluso crecer dentro de la raíz. Las partículas de suelo unidas a las raíces son difíciles de eliminar sin dañarlas, lo que permite un ataque microbiano. Esta microflora asociada generalmente sobrepasa el medio de cultivo de tejidos antes de que se produzca un crecimiento significativo del tejido vegetal.Algunos tejidos cultivados presentan un crecimiento lento. Para ellos, existen dos opciones: (i) optimizar el medio de cultivo; (ii) cultivar tejidos o variedades de alta respuesta. La necrosis puede deteriorar los tejidos cultivados. Generalmente, 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, esta se puede controlar.

Los explantos aéreos (sobre el suelo) también son ricos en microflora indeseable. Sin embargo, se eliminan más fácilmente del explanto mediante un enjuague suave, y el resto suele eliminarse mediante la esterilización superficial. La mayor parte de la microflora superficial no forma asociaciones estrechas con el tejido vegetal. Dichas asociaciones suelen detectarse 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 cultivadas asépticamente a partir de semillas con superficie esterilizada. La superficie dura de la semilla es menos permeable a la penetración de agentes esterilizantes agresivos, como el hipoclorito, por lo que las condiciones aceptables de esterilización 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 también lo será. Por el contrario, cualquier rasgo positivo también se mantendrá dentro de la línea.

Aplicaciones de la cultura del tejido vegetal

El cultivo de tejidos vegetales se utiliza ampliamente en las ciencias vegetales, la silvicultura y la horticultura. Sus aplicaciones incluyen:
  • La producción comercial de plantas utilizadas como materias de alfarería, paisaje y floristería, que utiliza la cultura de meristem y tiro para producir grandes cantidades de individuos idénticos.
  • Conservar especies vegetales raras o en peligro.
  • Un criador de plantas puede utilizar la cultura del tejido para detectar células en lugar de plantas para caracteres ventajosos, por ejemplo, resistencia al herbicida/tolerancia, detección de quimeras en una etapa temprana de desarrollo.
  • Crecimiento a gran escala de células vegetales en la cultura líquida en bioreactores para la producción de compuestos valiosos, como metabolitos secundarios derivados de plantas y proteínas recombinantes utilizadas como biofarmacéuticas.
  • Cruzar especies distantes por fusión protoplast y regeneración del híbrido novedoso.
  • Estudiar rápidamente la base molecular de los mecanismos fisiológicos, bioquímicos y reproductivos en las plantas, por ejemplo la selección in vitro para las plantas tolerantes al estrés.
  • Para cruzar-pollinar especies distantemente relacionadas y luego la cultura del tejido el embrión resultante que de otro modo moriría (Embryo Rescate).
  • Para la duplicación y la inducción del cromosoma de la poliploidía, por ejemplo haploides duplicados, tetraploides y otras formas de poliploides. Esto se logra generalmente por la aplicación de agentes antimitoticos como la colchicina o la oryzalina.
  • Como tejido para la transformación, seguido de pruebas a corto plazo de construcciones genéticas o regeneración de plantas transgénicas.
  • Ciertas técnicas como la cultura de punta de meristem se pueden utilizar para producir material de plantas limpias a partir de acciones virus, como caña de azúcar, patatas y muchas especies de fruta blanda.
  • Se puede obtener la producción de especies híbridas estériles idénticas.
  • Producción a gran escala de semillas artificiales a través de embrigenesis somática

Ejemplos

Desarrollo de la variación somaclonal

Planta Variante somaclonal Traits
Sugarcane ' Ono ' resistencia a la enfermedad de Fiji.
Citronella java 'Bio-13' (por CIMAP Lucknow) 37% más de aceite
Resiliencia climática

- Como en Kaveri Vaman (por NRCB Tamil Nadu), un banano mutante de cultivo de tejidos que soporta fuertes lluvias.

Producción de metabolitos secundarios

- Como la cafeína de coffea arabica, la nicotina de Nicotiana rustica o los ácidos fenólicos de Echinacea purpurea.

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.

Véase también

  • Cultivo de raíz peludo
  • Gottlieb Haberlandt, pionero de la cultura del tejido vegetal
  • Frederick Campion Steward, pionero y 'campeón' de la cultura de tejido vegetal
  • Murashige y Skoog solución media y Hoagland, importantes medios de crecimiento de plantas
  • Fisiología vegetal

Referencias

Notas

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Fuentes

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