Желе вместо почвы. Как учёные выращивают растения в лаборатории?
Приветствую друзья, продолжаю делиться историями с работы и сегодня я бы хотел рассказать Вам о том как выращивают растения в лабораторных условиях.
Как обычно постараюсь показать всё максимально наглядно и обойтись без сложных терминов.
Размножать растения в лаборатории стоит очень дорого. Помимо специального помещения с особой системой вентиляции (чистой зоны) и кучи оборудования (ламинаров, стерилизаторов, автоклавов и т.д.) нужны специалисты с опытом и профильным образованием.
Поэтому в лаборатории работают только с растениями, которые имеют наибольшую коммерческую или научную ценность. Например выращивать обычную продовольственную пшеницу или картофель никто не будет (объёмы и трудозатраты не позволят окупить предприятие), в поле это можно сделать в тысячи раз дешевле.
А вот получить новый сорт, оздоровить культуру от бактерий и вирусов, получить качественный семенной материал или вырастить очень прихотливые экзотические растения можно порой только в лабораторных условиях.
Тара
Процесс начинается с подбора подходящей тары. К ней предъявляется ряд специфичных требований: она должна пропускать свет, герметично закрываться и выдерживать высокие температуры (до +121 градуса).
Обычно это стеклянные пробирки, банки и полипропиленовые контейнеры различных форм и размеров.
Субстрат
Большинство растений на Земле растут в почве. Не смотря на то, что растения самостоятельно производят питательные вещества за счёт фотосинтеза им всё-равно нужны микро и макроэлементы для протекания биохимических реакций. Основным их источником в природе служит почва.
Однако при работе с почвой в лабораторных условиях возникает много проблем, очень сложно постоянно контролировать её состав, кислотность, влажность и отсутствие патогенов.
К тому же почва непрозрачна и в ней очень трудно наблюдать за динамикой роста корневой системы, поэтому со временем учёные разработали специальные питательные среды.
Питательные среды для растений
Питательные среды
Питательные среды для растений можно условно разделить на две группы: жидкие и твёрдые. Первые обычно используются в биореакторах (расскажу про них в следующий раз), а вторые как раз чаще всего встречаются в лабораториях.
В ходе длительных экспериментов, двумя физиологами растений Тосио Мурасигэ и Фольке К. Скугом в 1962 году была подобрана оптимальная для большинства растений концентрация веществ в питательной среде.
Состав питательной среды MS
Чтобы ускорить рост растения, в среду также добавляют сахара (глюкозу или сахарозу), а для того, чтобы сделать её плотной используют агар. Чем больше его концентрация, тем плотнее получается питательная среда. Стандартное значение 5 - 7 грамм агара на 1 литр питательной среды.
Со временем стали появляться и другие варианты питательных сред, в них отличаются концентрации химических соединений (больше / меньше азота) и могут присутствовать дополнительные вещества (например аминокислоты).
Сейчас почти на каждом предприятии есть биотехнолог, который занимается подбором оптимальной среды для каждой конкретной культуры.
Растения на различных питательных средах QL, MS, среда Андерсона
Гормоны
Помимо минеральных и питательных веществ в питательную среду могут добавлять различные растительные гормоны, для того, чтобы повлиять на его рост.
Одни гормоны могут вызывать активный рост корней, другие побегов, третьи удлинять поверхность листьев и т.д.
Влияние гормонов на рост растения в питательной среде
Приготовление и розлив среды
Приготовление питательной среды очень важный и ответственный процесс. Всего одна ошибка в концентрации вещества может привести к ухудшению роста или даже гибели всей партии растений.
За простой разговор со специалистом во время его работы на некоторых предприятиях можно получить серьёзный штраф.
Среду обычно готовят в больших колбах, добавляя все необходимые вещества по очереди, а после доведения pH (кислотности) ставят на плитку с магнитной мешалкой, чтобы агар как следует разошёлся.
Питательная среда в колбах во время приготовления
Очень важно контролировать процесс. Необходимо следить, чтобы вещества не выпали в осадок, а среда не закипела и не начала выливаться из колбы.
После того как среда приготовилась, её необходимо разлить в посуду. Для этого можно использовать мерные цилиндры, пипетки или специальные дозаторы.
Процесс розлива питательной среды в пробирки
В пике наша лаборатория разливает до 80 000 пробирок в неделю. Конечно перед этим их все необходимо тщательно помыть и прополоскать дистиллированной водой, чтобы смыть остатки солей и других веществ содержащихся в водопроводной воде.
Подготовленные к розливу пробирки
Стерилизация
После того как среда разлита, а тара закрыта (для пробирок мы используем ватные пробки), её необходимо простерилизовать. Как бы мы не старались поддерживать чистоту, условия при розливе очень далеки от стерильных, в воздухе всё-равно находится большое количество грибных спор и бактерий для которых питательная среда идеально подходит для жизни.
Если не простерилизовать среду, то микроорганизмы размножаться и подавят своей жизнедеятельностью растение.
Инфекция в питательной среде
Для стерилизации пробирки составляют в закрытые корзины (биксы - 16) и отправляют на стерилизацию в специальный прибор (автоклав - 15), где они стерилизуются горячим паром 20 минут при температуре примерно 120 градусов.
Пробирки, биксы (16) и автоклав для стерилизации (15)
После стерилизации среда застывает, поскольку верхняя часть пробирки закрыта ватной пробкой, то все споры и бактерии оседают на ней. Внутреннюю часть пробирки можно считать абсолютно стерильной до момента открытия пробки.
В дальнейшем в эту среду в стерильных условиях будут посажены растения.
Микрочеренок и почка картофеля в питательной среде
Приемущества
Благодаря оптимальной концентрации элементов, гормонов и питательных веществ, растения в среде растут намного быстрее, чем в почве, поэтому методами микроклонального размножения можно очень быстро увеличить их количество.
Рост растения на питательной среде за 2 недели
Подробнее про это я писал вот тут.
Однако есть и недостатки, по причине того, что условия в питательной среде могут сильно отличаться от естественных, культура может начать вырождаться. Это проявляется в ухудшении роста, образовании не характерных структур (корней на листьях, побегах) и другие виды соматической (телесной) изменчивости.
Выродившийся в питательной среде картофель. Стебель преобразовался в вытянутый клубень.
Спасибо, что дочитали, если будут вопросы, то можете задать их в комментариях, постараюсь по возможности ответить. В следующей статье подробнее расскажу про жидкие питательные среды и устройство биореактора для растений.
Другие соц.сети проекта: