Organoģenēzes regulācija

Organizētu augu audu kultūras attīstību iespējams regulēt, kontrolējot un mainot augšanas barotnes sastāvu un augu kultūras apkārtējās vides apstākļus, kā arī rūpīgi izvēloties eksplantu. Mainot šos faktorus, iespējams ietekmēt šūnas, kas dalās — molekulārā līmenī ietverot selektīvu gēnu aktivāciju. Šo aktivitāti atspoguļo bioķīmiskas, biofizikālas un fizioloģiskas pārmaiņas, kas noved pie strukturālām pārmaiņām augu audu kultūrā — organoģenēzes.(Thorpe T. A. (1980) Organogenesis in vitro: structural, physiological and biochemical aspects. In: Vasil KI (ed) International review of cytology. Perspectives in plant cell and tissue culture, Acedemic Press, New York, pp 71—111).
Turpmāk tiks uzskaitīti faktori, kas ietekmē organogenēzi augu audu kultūrās:

 Organoģenēzes procesa regulācija augu audu in vitro kultūrās 

 Eksplanta lielums 
Organoģenēze lielā mērā ir atkarīga tieši no eksplanta lieluma. Lielākiem eksplantiem, kas sastāv no pamataudiem, vaskulārajiem audiem un kambija, ir augstāka reģenerēšanās spēja nekā mazākiem eksplantiem.(Espinasse A., Lay C., J.Volin (1989). Effects of growth regulator concentrations and explant size on shoot organogenesis from callus derived from zygotic embryos of sunflower (Helianthus annuus L.), Plant Cell, Tissue and Organ Culture, Volume 17, Issue 2, pp 171—181).

 Eksplanta izcelsmes vieta un sezona 
Līdzīgi kā baktērijām, arī augu audu kultūru masas, šūnu skaita vai orgānu lieluma pieaugumu raksturo sigmoidāla matemātiskā līkne. Dažādiem eksplantiem var būt nepieciešams dažāds ievākšanas laiks.(Teixeira da Silva J. A., J. Dobranszki (2013) How timing of sampling can affect the outcome of the quantitative assessment of plant organogenesis. Scientia Horticulturae, Volume 159, 30 July 2013, pp 59—66).
Auga daļai, no kuras ņemts eksplants, ir nozīmīga loma organoģenēzes potenciāla paredzēšanā. Piemēram, kā eksplantu no zieda Sanpaulijas var izmantot lapas fragmentus lapas dzīslojuma tuvumā, no Krizantēmas — galotņu pumpurus, no mūžzaļā rododendra — no ziedpumpura atdalītas auglenīcas apakšējo daļu, no tomātiem — to sēklas, no burkāna — burkāna saknes kambija apvidu. Savukārt ievākšanas sezona var ietekmēt, vai vispār iespējams panākt organoģenēzi no izvēlētā auga (LU Botāniskā dārza personāla pers.ziņ.).

 Eksplanta vecums 
Dažādi augi uzrāda dažādus attīstības posmus, kad vislabāk sagatavot eksplantus. Piemēram, adventīva dzinuma reģenerācija Nicotina sp. (Tabaka) lapu eksplantu gadījumā novērojama tikai tad, ja eksplanti ir ievākti auga veģetatīvajā fāzē — pirms ziedēšanas.(Skoog, Folke (1944) Growth and organ formation in tobacco tissue cultures. American Journal of Botany 19-24).

 Skābekļa gradients 
Orgānu veidošanos augu audu kultūrā ietekmē arī pievadītā (augu audu kultūrai pieejamā) skābekļa daudzums. Piemēram, dažās augu kultūrās vasas veidošanās notiek tikai tad, kad skābekla daudzums ap augu audu kultūru ir samazināts. Savukārt sakņu attīstībai nepieciešams augsts skābekļa gradients.

 Gaismas kvalitāte un intensitāte 
Augu audu kultūru attīstību lielā mērā ietekmē gan tas, kādos apstākļos attīstās konkrētā kultūra (gaismā / tumsā), gan arī gaismas/tumsas attiecība, gaismas kvalitāte un intensitāte. Pētījumi ar dažādiem gaismas viļņu garumiem liecina, ka t.s. zilā gaisma pozitīvi ietekmē pumpuru un sāndzinumu veidošanos, savukārt īsāks gaismas viļņu garums — sarkanā gaisma — pozitīvi ietekmē sakņu veidošanos.(Weis, J. S. and Jaffe, M. J. (1969), Photoenhancement by Blue Light of Organogenesis in Tobacco Pith Cultures. Physiologia Plantarum, 22: pp 171— 176).
Liela gaismas intensitāte piemērota organoģenēzei, kamēr maza gaismas intensitāte piemērota kallusa uzturēšanai.(Skoog, Folke (1944) Growth and organ formation in tobacco tissue cultures. American Journal of Botany 19-24)
Gaismas veida maiņa arī ietekmē augu audu kultūras attīstību, tāpat arī tas, vai apgaismojums ir dabīgs vai mākslīgs (D. Graudas pers.ziņ.).
Dažādi veiktie eksperimenti liecina, ka augu audu kultūru attīstība ir atkarīga no apgaismojuma. Tā, piemēram, burkāna kallusa kultūras, kas augušas tumsā, daudz retāk sintezē hlorofilu, nekā tās pašas augu audu kultūras, kas ņemtas no tiem pašiem eksplantiem un ar relatīvi vienādiem pārējiem faktoriem (barotnes sastāvs, temperatūra u.c.), un augušas gaismā.

 Temperatūra 
Lai arī lielāko daļu augu audu kultūru var veiksmīgi kultivēt 250C, būtu jāņem vērā arī izvēlētā auga, no kura ņemts eksplants, dabīgās vides sastopamās temperatūras.
Dažādu sīpolaugu sugu optimālā kultivēšanas temperatūra var būt zemāka, ap 150 vai 180C, savukārt tropisko augu kultivēšanas temperatūras optimums var būt augstāks par “istabas temperatūru” — 270C palmām vai 300C Monstera deliciosa (Garšīgā monstera, izplatīts istabas augs).

 Barotnes sastāvs 
Svarīgākās jebkuras augu audu kultūru barotnes sastāvdaļas ir makro un mikro elementi. Augu šūnu sekmīgai attīstībai in-vitro nepieciešamas arī citas sastāvdaļas, kā vitamīni, aminoskābes, ogļhidrāti (oglekļa avots), kalcija sāļi u.c. Mēdz uzskatīt, ka minerālelementi nepieciešami ne tikai augu šūnu veiksmīgai attīstībai, bet var kalpot arī kā signālelementi auga attīstībā.
Bieži dažādām augu audu kultūrām ir nepieciešami dažādi barotņu sastāvi, ne tikai starp dažādu augu dzimtām, bet arī sugām; būtisku lomu spēlē arī vēlamais augu audu kultūras attīstības virziens. Barotņu izstrāde ir kā viens no sākuma posmiem katras augu audu kultūras pētnieka uzdevumiem, jo, tā kā augu audu kultūras ietekmē vairāk nekā viens faktors un iespējams visi faktori vēl nemaz nav zināmi, bartotne, kas ir atbilstoša vienā pasaules malā var nebūt piemērota citā (D. Auzenbahas pers. ziņ.).

Daļēji augu audu kultūras attīstību ietekmē arī tas, vai barotnei ir pievienots agars (t.s. šķidrās un cietās barotnes — cietajām barotnēm pievienots agars). Lai arī agars nav būtisks barotnes sastāvam, dažādi agari, pirmkārt, var saturēt piemaisījumus, kas var ietekmēt kultūras attīstību, un otrkārt, ja barotnē ir augsta agara koncentrācija, tie apgrūtināta barotnē esošo sastāvdaļu difūzija, kas var ietekmēt organoģenēzi

 Barotnes pH 
Lielākoties augu audu kultūru pH tiek pielāgots starp 5,2—5,8. Ja, pagatavojot barotni, pH ir augstāks, pievieno 1M HCl (Sālsskābe), ja zemāks, pievieno 1M NaOH (Nātrija hidroksīds). Augu audu kultūrai atrodoties barotnē, tā var izdalīt dažādus blakusproduktus, kas var uzkrāties barotnē un kaitēt kultūras attīstībai, pazeminot barotnes pH līmeni(Skirvin R. M., Chu M. C., Mann M. L., Young H., Sullivan J., Fermanian T. (1986). Stability of tissue culture medium pH as a function of autoclaving, time, and cultured plant material. Plant Cell Reports, Volume 5- 4, pp 292—294).

 Augu hormoni 
Jau 19. gadsimta dzīvās dabas pētnieki konstatēja, ka ķīmiskiem signāliem ir loma augu augšanas regulācijā. Mūsdienās daudzi no šiem ķīmiskajiem signāliem ir identificēti kā fitohormoni(Santner, Aaron, Luz Irina A. Calderon-Villalobos, and Mark Estelle. (2009) Plant hormones are versatile chemical regulators of plant growth. Nature chemical biology 5.5: 301-307). 20. gadsimta pirmajā pusē tika demonstrēti pirmie pierādījumi, kas liecināja tieši par fitohormonu lomu augu orgānu attīstībā. Skoog (1944) novēroja, ka noteiktos apstākļos auksīnu pievienošana sķidrajai barotnei kavēja orgānu diferenciāciju tabakas audu kultūrās. Vēlāk tika demonstrēts, ka ne vien atsevišķi fitohormoni, bet arī attiecība starp dažādu fitohormonu koncentrācijām ietekmē orgānu veidošanos un citas auga attīstības izpausmes(Skoog, F., and C. O. Miller. (1957) Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissue cultured. In vitro. Symp. Soc. Exp. Biol., v. 11, p. 118-131).
Pie fitohormoniem pieskaita dažādus strukturāli nesaistītus ķīmiskos savienojumus, kurus augi paši sintezē un kuri regulē augu augšanu, attīstību un mijiedarbību ar vidi. Svarīgākie augu hormoni ir abscizskābe, auksīni, brasinosteroīdi, citokinīni, giberelīni, etilēns, jasmonskābe un salicilskābe.(Santner, Aaron, Luz Irina A. Calderon-Villalobos, and Mark Estelle. (2009) Plant hormones are versatile chemical regulators of plant growth. Nature chemical biology 5.5: 301-307) Organoģenēzē īpaši nozīmīga ir fitohormonu ietekme tieši uz meristēmu šūnām, no kurām veidojas auga orgāni (Durbak, Amanda, Hong Yao, and Paula McSteen. (2012) Hormone signaling in plant development. Current opinion in plant biology 15.1: 92-96).
Pirmie fitohormoni, kuru ietekme uz orgānu veidošanos in vitro tika pētīta, bija auksīni Tie ir iesaistīti ļoti daudzos augu fizioloģijas un attīstības procesos. Piemēram, augsta auksīna un citokinīna koncentrācijas attiecība barotnē ierosina sakņu veidošanos, bet zema attiecība — vasas veidošanos no kallusa Auksīna un citokinīna koncentrācijas attiecība regulē arī citu orgānu, kā ziedu pumpuru un veģetatīvo pumpuru veidošanos. Auksīna gradienti, ko uztur transporta proteīni, vērojami arī veselos augos(Zhao, X. Y., Su, Y. H., Cheng, Z. J., & Zhang, X. S. (2008). Cell fate switch during in vitro plant organogenesis. Journal of integrative plant biology, 50(7), 816-824). Savukārt lokāla auksīna koncentrācijas palielināšanās nepieciešama, lai veidotos jaunas lapas vai sānsaknes.(Laskowski, M., Williams, M., Nusbaum, H. and Sussex, I. (1995) Formation of lateral root meristem is a two-stage process. Development 121, 3303—3310) Tātad dažādu auga orgānu attīstībā būtiska nozīme ir gan auksīna lokālai koncentrācijai, gan koncentrācijas gradientam visā augā, gan mijiedarbībai ar citiem augu hormoniem. Auksīna iedarbība ir saistīta gan ar transkripcijas regulāciju, gan ar citiem mehānismiem
Daudzos augu attīstības procesos ir iesaistīti arī citokinīni. Citokinīni vieni paši neizraisa jaunu orgānu veidošanos eksplantu kultūrās, taču tie regulē auksīna transportieru darbību un līdz ar to arī auksīna gradientus augā,(Pernisová, M., Klíma, P., Horák, J., Válková, M., Malbeck, J., Souček, P., ... & Za, E. (2009). Cytokinins modulate auxin-induced organogenesis in plants via regulation of the auxin efflux. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(9), 3609-3614) kas saskan ar iepriekš minēto, ka daudzu orgānu veidošanās atkarīga tieši no auksīna un citokinīna koncentrāciju attiecības. Interesanti, ka citokinīnam ir loma arī mijiedarbībā starp augiem un mikroorganismiem, tai skaitā slāpekli fiksējošo gumiņu veidošanās procesā. Iespējams, tas saistīts ar to, ka citokinīnu signālceļi ir līdzīgi signālu sistēmām, kādas sastopamas baktērijās(To & Kieber 2008, cit. pēc Santner, Aaron, Luz Irina A. Calderon-Villalobos, and Mark Estelle. (2009) Plant hormones are versatile chemical regulators of plant growth. Nature chemical biology 5.5: 301-307).
Giberelīni vislabāk pazīstami ar savu stimulējošo iedarbību uz orgānu augšanu garumā un lomu sēklu un ziedu attīstībā,(Yamaguchi 2008, cit. pēc Santner, Aaron, Luz Irina A. Calderon-Villalobos, and Mark Estelle. (2009) Plant hormones are versatile chemical regulators of plant growth. Nature chemical biology 5.5: 301-307) tomēr tabakas audu kultūrā dažādu giberelīnu koncentrācijas paaugstināšana inhibē sakņu un vasas veidošanos.(Murashige, T. (1964). Analysis of the inhibition of organ formation in tobacco tissue culture by gibberellin. Physiologia Plantarum, 17(3), 636-643).
Kā redzams šeit aprakstītajos piemēros, fitohormonu iedarbība ir kompleksa, un bieži ietekmi uz organoģenēzi nosaka vairāku hormonu kombinācija nevis viens atsevišķs hormons, un vieni un tie paši ķīmiskie signāli var atšķirīgi ietekmēt dažādas augu sugas.(Kumar, P.P., Lakshmanan, P. & Thorpe, T.A. (1998) Regulation of morphogenesis in plant tissue culture by ethylene. In Vitro Cellular & Developmental Biology — Plant, 34: 94-103) Orgānu veidošanos regulē gan labi pazīstamie tradicionālie fitohormoni (auksīni, citokinīni, giberelīni utt.), gan arī dažādi jaunatklāti ķīmiskie signāli, piemēram, strigolaktons, un šobrīd vēl tāls ceļš ejams līdz pilnīgai izpratnei par fitohormonu darbības mehānismiem organoģenēzē un citos augu attīstības posmos.

 Atsauces 

Kategorija:Augu fizioloģija
Kategorija:Augu augšanas un attīstības regulācija