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