احدث الطرق لاكثار النباتات ( زراعة الانسجة النباتية ) - الجزء الاول

زراعة الانسجة النباتية 

plant tissue culture

 1- مصطلحات زراعة الأنسجة 

 Plant tissue culture terminology

Adventitious

: هى أعضاء نباتية ( براعم ، نموات خضرية ، جذور ...إلخ ) نتجت بطريقة عرضية فى موضع غير تقليدى أو فى وقت غير تقليدى مثل تكون النموات الخضرية على نسيج الكلس أو تكون الأجنة العرضية من الكلس بدون مبيض أو عمليات تزاوج وإخصاب.

Aseptic : هو الخلو من الكائنات الممرضة والتلوث بالفطريات والبكتيريا والفيرس ...إلخ أى خلو البيئة الغذائية من الكائنات الدقيقة وهو متطلب هام أساسى لمزارع الأنسجة النباتية.

Axillary bud : برعم أو فرع خضرى إبطى يخرج من إباط الأوراق وهو عادة يتكون من الخلايا المرستيمية الإبطه للقمم النامية وعادة تدفع لإنتاج أعداد كبيرة Mass production ويتم ذلك خلال استخدام الهرمونات التى تعمل على تثبيط السيادة القمية للقمة النامية وتشجيع إنتاج Lateral shoot .

Bud : هو البرعم الخضرى أو الزهرى وهو مازال فى حالة نشأة ولم ينمو بعد Unemerged وعادة ما يكون مغلق بعدة أوراق حرشفية تسمى Bud scale .

Calluses, Calli, Callus : هى أنسجة الجروح التى تتكون عند السطح المجروحة فى النبات وهى أنسجة غير متميزة Disorganized tumor-like masses وهى أنسجة برانشيمية تختلف فى درجة تلجننها وعادة لا يوجد بينها مادة لاحمة الميدلاميلا .

Cybrid : هى الخلية أو النبات الناتج من التهجين السيتوبلازمى مع نواة إحدى الخلايا وعضوات الخلية السيتوبلازمية من أخرى .

Differentiation : التميز أو التخلق أو هى التغيرات الفسيولوجية الحادثة فى خلايا الأنسجة أو الأعضاء أثناء التطور والنمو لتصبح الخلايا أو الأنسجة متخصصة ولها دور فسيولوجى وعمل معين .

Organogenenesis : هى نشأة الأعضاء على سطح المنفصل النباتى أو من الكلس الناتج من زراعته وهى عادة تكون إما نموات خضرية أو جذور .

Disease – free, Pathogen – free, Virus – free, Pathogen – tested : هى النباتات الخالية من أى أعراض مرضية واختبرت فى احتواءها على المسبات المرضية فكانت النتائج سلبية وتستخدم مثل تلك النباتات كمصدر للحصول على نباتات ذات مواصفات مثالية .

Embryoid or Somatic embryo : الأجنة العرضية وهى تشبه مورفولوجياً الزيجوتية وهو ينشأ من أنسجة خضرية تنتج In vitro .

Embryogenesis : هى عملية تكوين الأجنة بطريقة غير جنسية وعادة تنمو الأجنة اللاجنسية مباشرة من زراعةExplant أو بطريقة غير مباشرة من الكلس وفى بعض الحالات العرضية من الخلايا المنفردة .

Excise : هو عزل أو فصل أنسجة أو أعضاء أو قطاعات الأنسجة من النبات كأجزاء نباتية للزراعة بطريقة جراحية مثل عزل القمة النامية تحت الميكروسكوب وزراعتها In vitro .

In vitro : (هى كلمة لاتينية تعنىIn glass ) وتعنى التجارب العملية على الأعضاء النباتية والتى فى الأوعية الزجاجية Glassware والتى تنمو تحت ظروف صناعية Artificial Conditions لزراعة الأنسجة .

In vivo : (وهى كلمة لاتينية تعنى In life ) وهى التجارب العملية على الأعضاء النباتية تحت الظروف الطبيعية وهى مرتبطة بأجزاء النبات الأخرى الحية .

Induction : وهى الحث أو التغيرات الفسيولوجية التى تعمل على حدوث ظاهرة فسيولوجية أثناء عمليات التطور والتى ينتج عنه عملية Initiation .

Initiation : هو أول تغير ميكروسكوبى مرئى لتميز الخلايا وتخليقها عند تطورها إلى أعضاء .

Meristem : هى مناطق النمو والانقسام وتكوين وبناء البروتوبلاست ومنشأ الأنسجة الجديدة فى النباتات وعادة تكون الخلايا المرستيمية خلايا غير متميزة Undifferentiated منها تتكون الأنسجة المتخصصة وظيفياً أو فسيولوجية وتوجد فى القمم النامية للأفرع الخضرية أو قمم الجذور وفى أباط الأوراق وخلايا الكمبيوم الحزمى وأماكن النمو الأخرى مثل الأوراق الحديثة ...إلخ .

Meristemaid: كتلة أو خلايا عنقودية ، من خلايا مرستيمية لها القدرة على النمو والتطور تحتوى على سيتوبلازم كثيف مع عديد من الفجوات العصارية.

Shoot apex or Shoot tip : هى القمة المرستيمية الهرمية أو قبية الشكل Meristematic dome والأوراق المنبسقة Emerging leaves وبعض من خلايا الاستطالة الساقية ويجب عدم الخلط بين مصطلح Meristem tip , shoot tip فالأخير أصغر حجماً ويحتوى على القبة المرستيمية فقط أو زوج واحد من مبادئ خروج الأوراق .

Somatic Hybrid : الهجن الجسيمة وهى الناتجة من دمج الخلايا أو البروتوبلاست لتكوين Genom جديد .

Subculture : هى إعادة الزراعة من زراعة أخرى بنقل الخلايا أو الأنسجة أو الأعضاء المتكونة على بيئة جديدة وذلك بعد مرور زمن فاصل يسمى Passage time وفى الغالب تكون البيئة الجديدة لها تركيب مختلف فى واحد أو أكثر من مكونات البيئة للحصول على شكل مورفولوجى جديد أو تطور للأعضاء وكثيراً ما يخلط البعض بين مصطلح Subculture – Reculture الأخير يستخدم فى نقل الأنسجة أو الأعضاء على بيئة غذائية طازجة لها نفس المكونات للبيئة السابقة ويكون الغرض هنا المحافظة على النسيج من التدهور نظراً لجفاف البيئة أو إنقاذ محتوياتها أو تغير درجة حموضتها أو صلاحيتها ولكن تظل الأنسجة فى نفس المرحلة من التطور .

  2- مجالات زراعة الأنسجة والخلايا

توجد أربعة مجالات رئيسية لزراعة الأنسجة والخلايا نجملها فى المجالات التالية:

1- إنتاج بعض المواد الكيماوية العلاجية والمواد الطبيعية.

2- التحسين الوراثى للمحاصيل.

3- الحصول على سلالات خالية من الأمراض.

4- استخدام زراعة الأنسجة كوسيلة سريعة للتكاثر وإنتاج غزير من النباتات.

أولاً: إنتاج المواد الكيماوية الطبية والمواد الطبيعية Production of pharmaceutical and other natural products

كما هو معروف فإن هناك عديد من النباتات التى تنتج مواد طبيعية تعتبر إحدى نواتج عمليات التمثيل الغذائى يقوم الإنسان باستخراجها واستعمالها فى صناعات عديدة أهمها صناعة الدواء وإنتاج الزيوت العطرية ومكسبات النكهة والطعم. والأمثلة على ذلك عديدة نجملها فى  التالى :

  موضح أهم المركبات الفعالة التى تستخرج من النياتات الطبية والعطرية بزراعة الأنسجة المادة
اسم النبات المستخرجة منه
1- القلويدات

- أتروبين الأتروبا Atropa belladonna

- أفيدرين Ephedra Vulgaris

- لينين Cinchona spp.

- كوكايين نبات الكولا Erythroxylon coca

-هيوسيامين السكران Hyscyamus spp.

- ستريكتين الجوز المقئ Strychnase sp.

- كافين البن Coffea Arabica

2- الجلوكسيدات

- الأميجدالين نوى الخوخ والمشمش والبرقوق .

- السالسين الصفصاف .

- زيت المستطردة نباتات الفصيلة الصليبية .

3 - الزيوت العطرية عديد من النباتات

4- الفيتامينات عديد من النباتات


ولقد أمكن استخدام زراعة الأنسجة لبعض النباتات الطبية مثل الداتورة والسكران والديجتالس لإنتاج المواد الطبية وكذلك بعض النباتات العطرية مثل الريحان والنعناع والعتر لإنتاج الزيوت العطرية وذلك بزراعة أنسجة أو أعضاء مختلفة من تلك النباتات للحصول على نسيج الكلس ثم يستخلص المادة الفعالة منه دون الحاجة لزراعة النبات بأكمله وبذلك يمكن توفير مساحات الأراضى اللازمة لزراعة هذه النباتات وكذلك توفير المجهود الزراعى وكذلك المجهود اللازم لاستخراج هذه المواد من النبات الكامل وربما يكون ذلك التكنيك من الناحية الاقتصادية أكثر نفعاً . ويعتبر هذا المجال من مجالات زراعة الأنسجة الحديثة التى لم تطرق بعد بالقدر الكافى لأنه من المتوقع أن يكون من أهم المجالات لاستخدام زراعة الأنسجة فى المستقبل القريب.


ثانياً: التحسين الوراثى للمحاصيل The genetic improvement of crops :

يخدم تكنيك زراعة الأنسجة والأعضاء والخلايا مربى النبات فى مجالات مختلفة نجمعها فى الآتى:


Embryo development-
- Embryo & Ovary culture

- Induction and isolation of mutation.

- Source of variation .
- Cell & tissue culture

- Haploid plants development
- Anther & microspore

- Mutation

- Hybridization

- Gene transfer
- Protoplasts

أن البحث عن التراكيب الوراثية أو مصادر الاختلافات الوراثية وإنتاج أصناف جديدة لهو الشغل الشاغل لمربى النبات وهو فى صدد هذا الهدف قد يواجه بعدة عقبات يمكن تزليلها بتكنيك زراعة الأنسجة والأعضاء.

1- ثبت أن الأجنة الناتجة من الهجن المتباعدة الآباء لا يتم تكوينها ونضجها مثل الأجنة الناتجة عن الهجن الجنسية والنوعية، تلك الأجنة تعانى من ظاهرة تعرف بظاهرة العقم الأندوسبيرمى Somatoplastic sterility وتنتج من عدم التوازن الكروموسومى لأنسجة الإندوسبرم والجنين فكما هو معروف أن الأجنة لا تتصل مباشرة بالأنسجة الوعائية لنبات الأم ولكن يتم الاتصال عن طريق الإندوسبرم والذى يستقبل المواد الغذائية ثم يقوم بتوصيلها للجنين عن طريق الحيل السرى . وبالفحص السيتولوجى لمثل تلك الأجنة الهجينة ثبت أن الزيجوت ينقسم عدة انقسامات أولية كالمعتاد ثم يتكون فى قاعدة البويضة أى بين الحبل السرى والطرف الكلازى منطقة بها خلايا غير حية تمنع من وصول الغذاء للأندوسبرم وعندئذ يموت نسيج الإندوسبرم والذى يعقبه موت الجنين فإذا أمكن عزل الأجنة الجنسية فى وقت مناسب وتنميتها على بيئة مناسبة فإنه يمكننا الحصول على تلك الأجنة فيما يعرف بزراعة الاجنة Embryo culture وهو هدف عظيم لمربى النبات .

2- عند سعى مربى النبات فى الحصول على قوة الهجين يواجه بعدة مشاكل أهمها طول القترة بين الأجيال والتى تطيل من برامجه فضلاً على صعوبة الحصول على نباتات متماثلة فى صفاتها الوراثية Homozyous لذلك يتطلب منه تأصيل العوامل الوراثية بالتربية الذاتية أو التهجين الذاتى لعدة أجيال فيواجه بأن نباتات الجيل الثالث أوالرابع تكون عديمة الخصوبة مما يوقف من برامجه لذلك فإن حصوله على نبات أحادى المجموعة الكروموسومية Haploid يعتبر من الآمال العظيمة لمربى النبات حيث يمكنه مضاعفتها بالكولشيسين فيحصل على نبات ثنائى المجموعة الكروموسومية وفى نفس الوقت أصيل فى عوامله الوراثية Homozygous وذلك باستخدام مجال زراعة الأنسجة بزراعة المتك أو حبة اللقاح لإنتاج نبات أحادى المجموعة الكروموسومية وفى وقت قصير جداً بالمقارنة بالطريقة التقليدية .

3- من أهم طرق التربية هو البحث عن تراكيب وراثية عن طريق الانتخاب لذلك تصعب تلك المهمة على مربى النبات إذا تضاءلت أمامه وجود مصادر الاختلافات الوراثية أما إن توافرت فيكون أمامه مهمة صعبة وهى عمل Screening لعدد كبير من النباتات وهى مهمة ولكن باستخدام تكنيك زراعة الأنسجة ومعلقات الخلايا يمكن لمربى النبات معملياً أن يتعامل مع عشيرة كبيرة جداً فى فى طبق بترى فيسهل عليه مهمة الانتخاب إذ أن الانتخاب سوف يجرى على مستوى الخلية وليس على مستوى النبات الكامل وفى هذا المجال يمكن لمربى النبات أن ينتخب لصفات عديدة مقل مقاومة الأمراض ، مقاومة الملوحة ، مقاومة سُمية المبيدات ، مقاومة النيماتودا ، مقاومة الجفاف .. الخ. ويتم ذلك بالحصول على مزارع للخلايا ثم تعامل بسموم الفطر المسبب للمرض أو بتركيزات عالية من الملح أو بتركيزات مختلفة للمبيد ثم تنتخب الخلايا التى تقاوم الصفة المرغوبة فتنتقل إلى بيئة غذائية لتكوين الكلس ثم يوجه الكلس نحو تخليق الأعضاء الخضرية والجذرية وبذلك يمكن الحصول على نبات كامل كما يمكن بنفس التكنيك استحداث الطفرات وعزلها .

4- قد يصعب على مربى النبات إجراء التهجينات الجنسية والنوعية عند الرغبة فى نقل صفة ما من نبات إلى آخر لكن عن طريق التكنيك الجديد وهو ما يعرف بتكنيك الهندسة الوراثية وزراعة البروتوبلاست يمكن إجراء تلك التهجينات فضلاً على إمكانية عزل جين بمفرده ونقله ليدمج مع المادة الوراثية لنبات مراد إدخال صفة ما فيه بالإضافة إلى إمكان نقل أى مادة وراثية معزولة من أى كائن حى إلى النبات وقد كان وذلك بالطبع مستحيل باستخدام الطرق التقليدية.

ثالثاً : الحصول على سلالات خالية من الأمراض Pathogen free plants :

تصاب كثير من النباتات بالأمراض الفيروسية ويبذل الدارسون جهداً كبيراً للحصول على نباتات خالية من الإصابة ويستخدم تكنيك زراعة الأنسجة فى الحصول على تلك النباتات بطرق عدة:

1- زراعة القمم النامية حيث وجد أن الفيرس ينتقل بصعوبة وبطء إلى قمم النباتات وبالتالى فهى غالباً ما تكون خالية من الفيرس خاصة إذ عزلت بأحجام ميكروسكوبية تصل إلى 0.2 – 0.5 ملليميتر وزراعتها للحصول منها على نبات كامل .

2- الحصول على نباتات خالية من الفيروس فقد تمكن Murashige et al 1968 من الحصول على نباتات خالية من الفيروس من نسيج النيوسلة لبعض النباتات أحادية الأجنة Monoembryonic فى الموالح (الشادوك) وفى تلك الحالة أمكن إنتاج نباتات خالية من الفيروس وفى نفس الوقت مشابهة للأم من حيث الصفات أنها أجنة جسمية.

3- استخدام التطعيم الدقيق نظراً لصعوبة الحصول على نبات كامل من زراعة القمة النامية مباشرة على بيئة غذائية فى بعض النباتات فقد استحدث هذا التكنيك Shoot tip micrografing وذلك بزراعة بذور الأصل فى الظلام ثم عزل القمة النامية بطول 0.14 – 0.18 ملليميتر وتطعيمها على بادرة الأصل وبذلك نحصل على شتلة مكونة من أصل وطعم وخالية من الفيروس بعد عدة أسابيع.

رابعاً: استخدام زراعة الأنسجة كوسيلة سريعة للتكاثر Rapid clonal multiplication

نظراً لأن طريقة التكاثر الخضرى بالوسائل التقليدية ليست سريعة بالدرجة الكافية لمواجهة الطلب المتزايد على النباتات خاصة نباتات الزينة فإن أسعار تلك النباتات فى الزيادة فى جميع بلدان العالم مما دفع الكثير إلى استخدام تكنيك زراعة الأنسجة لتوفير تلك الأعداد من النباتات بسعر مناسب فى حيز محدود. كما نجح إكثار بعض النباتات الصعبة الإكثار والغالية مثل الأوركيد بذلك التكنيك كما أمكن إنتاج أعداد كبيرة من نخيل البلح والذى يمتاز بقلة خروج الفسائل عليه وارتفاع أثمانها .

3- مراحل زراعة الأنسجة

للوصول إلى الأهداف السابقة الذكر فإن هناك ثلاثة مراحل رئيسية للحصول على زراعة ناجحة للأنسجة وهى:

أولاً: الحصول على مزرعة معقمة Stage І : Establishment of a septic culture

هذه المرحلة هامة جداً وتعتبر من أهم مراحل زراعة الأنسجة والغرض منها ببساطة هو الحصول على مزرعة معقمة بمعنى عدم تلوث البيئة الغذائية المستعملة أو الأنسجة المستخدمة فى الزراعة Explants بأى كائن دقيق يسبب تعفنها وموتها . ويأتى ذلك بتعقيم الأدوات المستعملة وتعقيم البيئة المستخدمة وكذلك تعقيم الأنسجة المستعملة والتى تكون عبارة عن أجزاء من النبات المراد إكثاره مثل القمم النامية للسيقان والجذور أو أجزاء من السيقان أو الأوراق أو نسيج الكلس ..............الخ. ثم إتمام الزراعة أيضاً فى جو وحيز معقم.

ثانياً: زيادة الأعضاء المتكاثرة Stage П : Multiplication of propagula

لهدف من تلك المرحلة هو زيادة الأعضاء والتراكيب التى تعطى فى النهاية النبات الكامل لذلك تعتمد تلك الخطوة على زيادة إنتاج الأعضاء العرضية Adventitious organs أو زيادة تكوين الأجنة أو زيادة تنشئة النموات الجانبية Axillary shoots وعندما يكون الكلس خطوة وسطية يكون الهدف فى تلك المرحلة هو زيادة نمو الكلس ثم تخليق النموات العرضية الخضرية منها أو تكوين الأجنة الجسمية Somatic embryo وفي التالي  تتبين الطرق المختلفة لزيادة Propagula فى هذه المرحلة Stage

في الاتي  أهم النباتات التى نجحت بزراعة الأنسجة ومصدر المنفصل النباتى وطرق تضاعفها

Methods of Multipication
Explant Source
Plant

Alliaceae

Callus, Adventitious bulb
Aerial bulb scale
Allium capa

Asteraceae

Callus, Adventitious shoots
Stem, Shoot tip
Chrysanthemum morifoliume

Axillary shoots
Shoot tip
Gerbera jamesonii

Adventitious shoots
Cotyledon, Hypocotyl, Root
Lactuca sativa

Bogoniaceae
Adventitious shoots
Leaf
Begonia rax

Rosaceae

Adventitious shoots
Stem
Rosa sp

Brassicaceae

Adventitious shoots
Leaf, Stem, Root
Brassica laraceae

Eubiaceae

Callus, Asexual embryo
Stem
Coffea arabica

Rutaceae

Asexual embryo
Nucleus tissue
Citrus sp

Convolvulaceae

Adventitious shoots, Callus
Stem, Root
Convolvulac arvensis

Solanaceae

Adventitious shoots, Callus
Anther
Solpiglassis sinuata

Callus, Asexual embryo
Embryo
Solpiglassis melongena

Adventitious shoots
Leaf
Solpiglassis nigrum

Adventitious shoots
Tuber
Solpiglassistuberosum

Adventitious shoots, Callus
Leaf, Stem
Nicotiana tabacum

Adventitious shoots, callus, Asexual embryo
Leaf, Root
Atropa balladona

Geraniaceae

Adventitious shoots, Callus
Stem, Shoot tip, Anther Pelargonium hortorum

Cucurbitaceae

Callus, Asexual embryo
Cotyledon, Hypocotyl
Cucurbita pepo


ثالثاً: الإعداد لنقل النبات للتربة Stage Ш : Preparation of re-establishment of plant

يمكن اعتبار أن التكاثر عن طريق زراعة الأنسجة ناجحاً إذا توج بنجاح نقل النبات الناتج فى الأنبوبة المعقمة إلى التربة واستمرار نموه وللوصول لهذه الغاية يجب العمل على أقلمة أو تقسية النباتات Hardening of plant قبل نقلها للظروف الصعبة المحتمل أن تواجهها فى التربة مثل نقص الرطوبة Stress tolerance to moisture خاصة إذا علمنا أن تلك الأنسجة تعتبرنامية فى وسط مائى Heterotrophic وسوف تنتقل إلى وسط آخر Autotrophic state . كذلك يجب استيفاء تلك النباتات لاحتياجاتها الحرارية أن وجدت لإنهاء طور الراحة كما للأبصال وللكورمات والريزومات احتياجات البرودة Chilling requirement فيجب استيفاءه قبل نقلها للتربة .

احتياجات كل مرحلة Requirements of each stage :

إحتياجات كل مرحلة تشمل احتياجات غذائية بمكونات البيئة وطبيعتها واحتياجات بيئية أى تعرض الأنسجة لدرجات حرارة وشدة إضاءة معينة. وعند دراسة المرحلة الأولى يجب ألا نغفل أن نجاح التكنيك يعتمد أساساً على حسن اختيار الجزء المنزرع Explants أما المرحلة الثانية فإن نجاحنا يتحدد بمعرفتنا إلى طريقة زيادة الأعضاء العرضية المتكونة مثل النموات العرضية والأجنة الخضرية والنموات الجانبية ..الخ. أما فى المرحلة الثالثة فيجب أن نكون ملمين بالاحتياجات الفسيولوجية للنبات المتكون كاحتياجه مثلاً لكسر طور سكونه إن كان له طور سكون أو احتياجه إلى معاملات خاصة للتقسية مثل تعريضه إلى إضاءة ذات شدة عالية High intensity light .

وفى الاتي سوف نسوق ثلاث أمثلة لنباتات Bromeliads, Gerbera, Asparagus لتوضيح احتياجات كل مرحلة من الهرمونات والاحتياجات البيئية وكذلك طبيعة البيئة الغذائية لكل لنبات .

في الاتي موضح أهم الاحتياجات المصاحبة لكل مرحلة من مراحل زراعة الأنسجة لثلاثة من النباتات

Characteristic
Asparagus
Gerbera
Bromelaids

Stage І

- - Explant
O.15mm shoot tip
2- 3mm shoot tip
Lateral bud

- Medium
Agar, Ms salts + O.3mg NAA+O.1 Kinetin
Agar, Ms salts 0.5IAA+ 10 Kinetin
Liquid, 1 rpm

1.75IBA+1.75NAA+

150mg/L citric acid

- culture environment
27c, 16 hr daily 1000LUX
27c, 16 hr, l000LUX
27c 16 hr, LUX

Stage П

- Method of Multiplication
Axillary shoot,

adventitious root
Axillary shoot
Adventitious shoot

- Medium
None change
None change
Liquid MS, 2 IAA+2K 80mg/L adenine sulfate 170mg/LNaH2PO4H2O

- Culture Environment
None change
None change
None change

Stage Ш

- Medium
Remove NAA
Remove Kinetin increase IAA to l0mg/L
Remove K, Adenine sulfate, NaH2 PO4. H2O

- Culture Environment
Increase light to 10,000 LUX
Increase light to10,000 LUX
Increase light 3000 LUX