Somatyczna embriogeneza, o której wspominałam w drugim poście poświęconym kulturom in vitro, to zjawisko formowania się zarodków, podobnych jak w nasieniu, ale z komórek somatycznych (komórek budujących ciało rośliny), bez udziału gamet i zapłodnienia. W odróżnieniu od opisywanej ostatnio organogenezy, w trakcie której powstaje najpierw albo zawiązek pędu albo korzenia, podczas embriogenezy oba zawiązki powstają jednocześnie, dając w efekcie strukturę dwubiegunową (bipolarną). W przeciwieństwie do regenerującego pędu albo korzenia, ta zawierająca obydwa typy merystemów struktura nigdy nie jest połączona systemem wiązek przewodzących z eksplantatem wyjściowym.
Zjawisko somatycznej embriogenezy zostało po raz pierwszy opisane w 1958 roku przez Reinarta i Stewarda u marchwi. Od tego momentu liczba gatunków, u których udało się zaindukować ten proces, stale rośnie. Przyjmuje się, że somatyczne zarodki można uzyskiwać z każdego eksplantatu zawierającego żywe, zdolne do podziałów komórki. Embriogeniczność objawiająca się tworzeniem zarodków może być zaindukowana bezpośrednio w eksplantacie lub też w tkance z niego powstałej. Wyróżniamy w związku z tym dwa podstawowe typy somatycznej embriogenezy: bezpośrednią, w której zarodki powstają wprost z komórek eksplantatu oraz pośrednią, podczas której z komórek eksplantatu powstaje najpierw tkanka kalusowa, a dopiero z jej komórek regenerują zarodki. Bezpośredni sposób formowania się zarodków somatycznych zachodzi z udziałem tzw. komórek zdeterminowanych pro-embriogenicznie, czyli komórek już posiadających embriogeniczną kompetencję. Komórki takie znajdują się np. w zarodkach zygotycznych (ale nie tylko!) i charakteryzują się zazwyczaj wysoką aktywnością podziałową i metaboliczną.
W przypadku embriogenezy pośredniej żywe, zróżnicowane komórki eksplantatu muszą najpierw ulec tzw. odróżnicowaniu (dedyferencjacji) do stanu merystematycznego. Dzieje się to pod wpływem czynników zewnętrznych, tj. warunków prowadzenia kultury. Wskutek podziału tych komórek powstaje kalus embriogenny, zawierający tzw. indukowane embriogenicznie zdeterminowane komórki, które w kolejnych podziałach doprowadzają do uformowania się pojedynczych komórek masy proembriogenicznej (w skrócie PEM) i dają początek somatycznym zarodkom.
W procesie somatycznej embriogenezy możemy wyróżnić dwie zasadnicze fazy. W pierwszej, nazywanej przez różnych badaczy „fazą 0”, fazą determinacji albo indukcji odróżnicowane komórki somatyczne nabierają kompetencji do embriogenezy. W drugiej fazie, zwanej fazą różnicowania, embriogeniczne komórki ujawniają swoją embriogeniczną kompetencję i różnicują się w somatyczne zarodki. Faza ta ma przebieg podobny do embriogenezy zygotycznej, a zarodki przechodzą kolejne stadia rozwojowe (globularne, sercowate, torpedy i liścieniowe), podobnie jak zarodki rozwijające się w nasieniu. Jednak ponieważ zarodki somatyczne nie są ograniczone łupiną nasienną, nie muszą przybierać podobnych kształtów jak zarodki zygotyczne (tj. kształtu odwróconej litery U w stadium liścieniowym). Ponadto dalszy rozwój zarodków somatycznych w siewki jest nazywany konwersją w rośliny (chociaż niektórzy mówią o kiełkowaniu).
Czynniki, które wpływają na powodzenie somatycznej embriogenezy są związane zarówno z rośliną, jak i z warunkami, w jakich prowadzimy kulturę. Różne części rośliny zachowują się bardzo różnie, jeśli chodzi o indukcję embriogeniczności. Niektóre zawierają znaczną liczbę kompetentnych komórek, inne nie zawierają ich wcale. Mówimy wtedy o różnej zdolności do somatycznej embriogenezy lub, ogólniej, o różnej zdolności do regeneracji. Ważny jest również gatunek i genotyp rośliny oraz jej stan fizjologiczny. Spośród czynników związanych z kulturą najważniejszy jest skład pożywki (a zwłaszcza dodatek odpowiednich regulatorów wzrostu, które decydują o uzyskaniu przez komórkę totipotencjalności oraz umożliwiają prawidłowy przebieg i wysoką wydajność całego procesu) i jej pH. Udało się jednak w wielu przypadkach zaindukować somatyczną embriogenezę działając na eksplantaty warunkami stresowymi, takimi jak: szok cieplny, warunki beztlenowe, niska temperatura, czy jony metali ciężkich.
Somatyczna embriogeneza odgrywa ważną rolę w biotechnologii roślin. Pozwala na otrzymanie w krótkim czasie bardzo wielu klonów rośliny wyjściowej i to w dodatku z niewielkiej ilości materiału wyjściowego, stąd jest wykorzystywana komercyjnie przy produkcji sadzonek roślin ozdobnych, a w warunkach eksperymentalnych do regeneracji roślin ze zmodyfikowanych genetycznie komórek i tkanek. Zarodki somatyczne (świeże albo wysuszone) można też zakapsułkować w alginianowych lub silikonowych otoczkach (które podobnie jak łupina nasienna fizycznie ochraniają zawarte w nich zarodki) i otrzymać tzw. sztuczne nasiona, które można przechowywać i używać do masowego rozmnażania gatunków i odmian, które nie wytwarzają normalnych nasion (a ta cecha wbrew pozorom bywa bardzo pożądana – np. u gatunków, których owoce są spożywane przez człowieka). Somatyczna embriogeneza jest też doskonałym modelem do badań genów sterujących roślinną morfogenezą.
Badania nad somatyczną embriogenezą u roślin z rodziny goryczkowatych oraz u paproci są ważną częścią działalności prowadzonej przez Zespół Biotechnologii Konserwatorskiej i Laboratorium Zastosowań Biotechnologii i Mikropropagacji Roślin. W kolejnych wpisach postaram się nieco przybliżyć Państwu najciekawsze wyniki naszych eksperymentów.
Tekst: Karolina Tomiczak,
Zdjęcia: Karolina Tomiczak. Agnieszka Niedziela.
BIbliografia:
- Burza W. 1995. Sterowanie morfogenezą roślin w kulturach in vitro. Kosmos 44 (3-4): 691-701
- Kępczyńska E., 2006. Kiełkowanie i konwersja somatyczna zarodków in vitro. Biotechnologia, 4 (75): 78-94.
- Malepszy S, Wróblewski T, 1994. Proces somatycznej embriogenezy – charakterystyka ogólna. Postępy Biologii Komórki 21, suplement 4: 1-10
- https://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/Embriogeneza-somatyczna/
Pełne opisy do zdjęć:
- Pojedynczy zarodek somatyczny w stadium sercowatym widoczny pod mikroskopem
- Zarodki somatyczne na kalusie (pośrednia somatyczna embriogeneza)
- Dzięki somatycznej embriogenezie można otrzymać setki młodych roślin z niewielkiej ilości kalusa lub zawiesiny komórkowej