کشت بافت به معنای کشت سلول‌ها، بافت‌ها، اندام‌ها یا کل گیاه تحت شرایط کنترل‌شده تغذیه‌ای و محیطی اغلب برای تولید کلون‌های گیاهان است. شرایط کنترل شده محیطی مساعد برای رشد و تکثیر برای کشت فراهم می کند. این شرایط شامل تامین مناسب مواد مغذی، محیط pH، دمای مناسب و محیط گازی و مایع مناسب است. فناوری کشت بافت گیاهی به طور گسترده برای تکثیر گیاهان در مقیاس بزرگ استفاده می شود. تکنیک های کشت بافت گیاهی جدا از استفاده به عنوان ابزار تحقیق، در سال های اخیر از اهمیت صنعتی عمده ای در زمینه تکثیر گیاهان، از بین بردن بیماری ها، اصلاح گیاه و تولید متابولیت های ثانویه برخوردار شده است. می توان از آن برای تولید صدها و هزاران گیاه در یک فرآیند مداوم استفاده نمود. یک ریزنمونه را می توان در یک دوره زمانی و فضایی نسبتاً کوتاه در شرایط کنترل شده، صرف نظر از فصل و آب و هوا در طول سال، به چندین هزار گیاه تکثیر کرد. گونه های در حال انقراض، در معرض تهدید و کمیاب به دلیل ضریب تکثیر بالا و نیازهای اندک به تعداد بوته های اولیه و فضا، با موفقیت رشد و نگهداری شده اند.

علاوه بر این، کشت بافت گیاهی با تولید انواع سوماکلونال و گامتوکلونال به عنوان کارآمدترین فناوری برای بهبود محصول در نظر گرفته می شود. فناوری ریزازدیادی پتانسیل وسیعی برای تولید گیاهان با کیفیت برتر، جداسازی انواع مفید در ژنوتیپ‌های پرمحصول سازگار با مقاومت به بیماری و ظرفیت‌های تحمل استرس بهتر دارد. انواع خاصی از کشت های کالوس به دلیل احتمال وقوع تنوع سوماکلونال، کلون هایی را به وجود می آورند که ویژگی های ارثی متفاوتی با گیاهان مادر دارند که منجر به توسعه واریته های بهبود یافته از نظر تجاری مهم می شود. تولید تجاری گیاهان از طریق روش‌های ریزازدیادی دارای مزایای متعددی نسبت به روش‌های سنتی تکثیر از طریق بذر، قلمه‌زنی، پیوند و لایه‌بندی هوایی و غیره است.
 

مبانی کشت سلول و بافت گیاهی

در کشت سلولی گیاهی، بافت‌ها و اندام‌های گیاهی در محیط‌های مصنوعی و کنترل‌شده در محیط آزمایشگاهی رشد می‌کنند. این تکنیک عمدتاً به مفهوم کل پتانسیل سلول‌های گیاهی بستگی دارد که به توانایی یک سلول برای بیان ژنوم کامل با تقسیم سلولی اشاره دارد.

در کنار پتانسیل کامل سلول گیاهی، ظرفیت سلول ها برای تغییر متابولیسم، رشد و نمو خود نیز به همان اندازه مهم و حیاتی برای بازسازی کل گیاه است. محیط کشت بافت گیاهی حاوی تمام مواد مغذی مورد نیاز برای رشد و نمو طبیعی گیاهان است. عمدتاً از درشت مغذی‌ها، ریز مغذی‌ها، ویتامین‌ها، سایر اجزای آلی، تنظیم‌کننده‌های رشد گیاه، منبع کربن و برخی از عوامل ژل‌کننده در مورد محیط جامد تشکیل شده است. محیط کشت موراشیگ و اسکوگ (محیط MS) بیشترین کاربرد را برای تکثیر رویشی بسیاری از گونه های گیاهی در شرایط آزمایشگاهی دارد. pH محیط نیز مهم است که بر رشد گیاهان و فعالیت تنظیم کننده های رشد گیاه تأثیر می گذارد. به مقدار بین 5/4 - 5/8 تنظیم می شود. هر دو محیط جامد و مایع را می توان برای کشت استفاده نمود. ترکیب محیط، به ویژه هورمون های گیاهی و منبع نیتروژن تأثیرات عمیقی بر پاسخ ریزنمونه اولیه دارد. تنظیم‌کننده‌های رشد گیاهی (PGR) نقش اساسی در تعیین مسیر رشد سلول‌ها و بافت‌های گیاهی در محیط کشت دارند.

اکسین ها، سیتوکینین ها و جیبرلین ها رایج ترین تنظیم کننده های رشد گیاه هستند. نوع و غلظت هورمون های مورد استفاده عمدتاً به گونه گیاه، بافت یا اندام کشت شده و هدف آزمایش بستگی دارد. اکسین ها و سیتوکینین ها پرمصرف ترین تنظیم کننده های رشد گیاه در کشت بافت گیاهی هستند و مقدار آن ها تعیین کننده نوع کشت ایجاد شده یا بازسازی شده است. غلظت بالای اکسین ها به طور کلی به تشکیل ریشه کمک می کند، در حالیکه غلظت بالای سیتوکینین ها باعث بازسازی شاخساره می شود. تعادل اکسین و سیتوکینین منجر به ایجاد توده ای از سلول های تمایز نیافته به نام کالوس می شود. سیتوکینین ها به طور کلی تقسیم سلولی را تقویت می کنند و تشکیل و تکثیر ساقه را القا می کنند. نسبت بالای سیتوکینین به اکسین باعث افزایش تکثیر اندام هوایی می شود در حالی که نسبت بالای اکسین به سیتوکینین منجر به تشکیل ریشه می شود. همچنین، جیبرلین ها برای افزایش رشد و افزایش طول سلول استفاده می شوند.
 

کشت بافت در کشاورزی

به عنوان یک فناوری نوظهور، کشت بافت گیاهی از طریق تهیه گیاهان مورد نیاز برای پاسخگویی به تقاضای روزافزون جهانی، تأثیر زیادی بر کشاورزی و صنعت دارد. در دوران اخیر کمک قابل توجهی به پیشرفت علوم کشاورزی داشته است و امروزه آن ها ابزاری ضروری در کشاورزی مدرن هستند. بیوتکنولوژی با سرعتی بی سابقه وارد عمل کشاورزی شده است. کشت بافت امکان تولید و تکثیر مواد گیاهی از نظر ژنتیکی همگن و عاری از بیماری را فراهم می کند. کشت سلولی و بافتی در شرایط آزمایشگاهی ابزار مفیدی برای القای تنوع سوماکلونال است. تنوع ژنتیکی ناشی از کشت بافت می تواند به عنوان منبع تنوع برای بدست آوردن ژنوتیپ های جدید پایدار مورد استفاده قرار گیرد. مداخلات روش‌های بیوتکنولوژیکی برای بازسازی آزمایشگاهی، تکنیک‌های ریزازدیادی انبوه و مطالعات انتقال ژن در گونه‌های درختی تشویق‌کننده بوده است. مهندسی ژنتیک می تواند تعدادی از واریته های گیاهی بهبود یافته را با پتانسیل عملکرد بالا و مقاومت در برابر آفات ممکن سازد. فناوری تبدیل ژنتیکی بر جنبه های فنی کشت بافت گیاهی و زیست شناسی مولکولی برای موارد زیر متکی است:
 
* تولید انواع محصولات اصلاح شده
* تولید گیاهان عاری از بیماری (ویروس)
* انتقال ژن
* تولید متابولیت های ثانویه
* تولید انواع متحمل به شوری، خشکی و تنش گرمایی
 


حفاظت از ژرم پلاسم

کشت سلول ها و اندام های آزمایشگاهی منبع جایگزینی برای حفاظت از ژنوتیپ های در حال انقراض است. حفاظت از ژرم پلاسم در سراسر جهان به دلیل نرخ بالای ناپدید شدن گونه های گیاهی و افزایش نیاز به حفاظت از میراث گل و گیاه کشورها به طور فزاینده ای به یک فعالیت ضروری تبدیل می شود. گونه‌های گیاهی که بذر تولید نمی‌کنند (گیاهان عقیم) یا دارای دانه‌های «سرکش» هستند که نمی‌توانند برای مدت طولانی ذخیره شوند، می‌توانند با موفقیت از طریق تکنیک‌های آزمایشگاهی برای نگهداری بانک‌های ژن حفظ شوند. انجماد نقش حیاتی در حفاظت طولانی مدت در شرایط آزمایشگاهی از مواد بیولوژیکی ضروری و منابع ژنتیکی ایفا می کند. این شامل ذخیره‌سازی سلول‌ها یا بافت‌های آزمایشگاهی در نیتروژن مایع است که در مواجهه با تنش‌های فیزیکی و شیمیایی بافت‌ها را دچار آسیب‌های کریو می‌کند. انجماد موفقیت آمیز اغلب با بقای سلول و بافت و توانایی رشد مجدد یا بازسازی به گیاهان کامل یا تشکیل کلنی های جدید مشخص می شود. Cryobionomics یک رویکرد جدید برای مطالعه پایداری ژنتیکی در مواد گیاهی انجماد شده است. بافت های جنینی را می توان برای استفاده در آینده یا برای حفاظت از ژرم پلاسم انجماد نمود.
 

کشت جنین

کشت جنین نوعی کشت بافت گیاهی است که برای رشد جنین از دانه ها و تخمک ها در یک محیط غذایی استفاده می شود. در کشت جنین، گیاه به طور مستقیم از جنین یا به طور غیرمستقیم از طریق تشکیل کالوس و سپس تشکیل شاخساره و ریشه رشد می کند. این تکنیک برای شکستن خواب بذر، آزمایش حیاتی بذرها، تولید گونه های کمیاب و گیاهان هاپلوئید توسعه یافته است. این یک تکنیک موثر است که برای کوتاه کردن چرخه پرورش گیاهان با رشد جنین های جدا شده به کار می رود و منجر به کاهش دوره خواب طولانی بذر می شود. علاوه بر این، حفاظت از گونه های در حال انقراض نیز می تواند با تمرین روش کشت جنین حاصل شود. اخیراً یک پروتکل موفق برای تکثیر in vitro Khayagrandifoliola با جدا کردن جنین از دانه‌های بالغ ایجاد شده است. این گیاه دارای ارزش اقتصادی بالایی برای چوب الوار و همچنین برای اهداف دارویی است.
 

انتقال ژن

انتقال ژن جدیدترین جنبه کشت سلول و بافت گیاهی است که میانگین انتقال ژن‌های دارای صفت مطلوب به گیاهان میزبان و بازیابی گیاهان تراریخته را فراهم می‌کند. این تکنیک با ادغام در بیوتکنولوژی گیاهی و برنامه های اصلاحی، پتانسیل زیادی در بهبود ژنتیکی گیاهان زراعی مختلف دارد. نقش امیدوارکننده ای برای معرفی صفات مهم زراعی مانند افزایش عملکرد، کیفیت بهتر و افزایش مقاومت در برابر آفات و بیماری ها دارد. تغییر ژنتیکی در گیاهان می تواند با واسطه (انتقال ژن غیرمستقیم) یا بدون ناقل (انتقال مستقیم ژن) انجام شود. ). در میان روش‌های انتقال ژن وابسته به ناقل، انتقال ژنتیکی به واسطه Agrobacterium بیشترین کاربرد را برای بیان ژن‌های خارجی در سلول‌های گیاهی دارد. وکتورهای مبتنی بر ویروس راه جایگزینی برای بیان پروتئین پایدار و سریع در سلول‌های گیاهی ارائه می‌دهند، بنابراین یک میانگین کارآمد برای تولید پروتئین نوترکیب در مقیاس بزرگ ارائه می‌دهند. بازسازی گیاهان مقاوم به بیماری یا ویروسی اکنون با استفاده از تکنیک انتقال ژن بدست می آید. محققان موفق به توسعه گیاهان تراریخته سیب زمینی مقاوم در برابر ویروس سیب زمینی شدند که یک تهدید بزرگ برای محصول سیب زمینی در سراسر جهان است.
 

تولید هاپلوئید

روش‌های کشت بافت امکان تولید گیاهان هموزیگوت را در مدت زمان نسبتاً کوتاهی از طریق کشت‌های پروتوپلاست، بساک و میکروسپور به جای پرورش معمولی فراهم می‌کند. هاپلوئیدها گیاهان عقیم دارای مجموعه ای از کروموزوم ها هستند که با دو برابر شدن کروموزوم خود به خود یا القایی به دیپلوئیدهای هموزیگوت تبدیل می شوند. دو برابر شدن کروموزوم ها باروری گیاهان را بازیابی می کند و در نتیجه هاپلوئیدهای مضاعف با پتانسیل تبدیل شدن به ارقام جدید مولد خالص تولید می شود. اصطلاح آندروژنز به تولید گیاهان هاپلوئید از سلول های گرده جوان بدون لقاح اشاره دارد. سادرسون و همکاران تولید گیاه هاپلوئید نخود بیابانی استورت را با استفاده از دانه های گرده به عنوان ریزنمونه اولیه گزارش کرد. فناوری هاپلوئیدی اکنون با سرعت بخشیدن به تولید و غلبه بر محدودیت های خواب بذر و عدم زنده ماندن جنین به بخشی جدایی ناپذیر از برنامه های اصلاح نباتات تبدیل شده است. این تکنیک کاربرد قابل توجهی در تغییر ژنتیکی با تولید گیاهان هاپلوئید با مقاومت القایی در برابر تنش های مختلف زیستی و غیر زنده دارد. معرفی ژن‌های با صفت مورد نظر در حالت هاپلوئید و به دنبال آن دو برابر شدن کروموزوم منجر به تولید گندم هاپلوئید مضاعف شد و گیاهان متحمل به خشکی با موفقیت به دست آمد.
 

وضعیت فعلی و آتی کشت بافت گیاهی

دهه‌های گذشته بیوتکنولوژی سلول‌های گیاهی به عنوان عصر جدیدی در زمینه بیوتکنولوژی با تمرکز بر تولید تعداد زیادی از محصولات ثانویه گیاهی تکامل یافته است. در نیمه دوم قرن گذشته، توسعه مهندسی ژنتیک و تکنیک‌های زیست‌شناسی مولکولی امکان ظهور محصولات کشاورزی بهبود یافته و جدید را فراهم کرد که تقاضای فزاینده‌ای را در سیستم‌های تولیدی چندین کشور در سراسر جهان به خود اختصاص داده‌اند. با این وجود، بدون توسعه تکنیک‌های کشت بافت، که ابزارهایی را برای معرفی اطلاعات ژنتیکی به سلول‌های گیاهی فراهم می‌کرد، غیرممکن بود. امروزه یکی از امیدوارکننده ترین روش های تولید پروتئین و سایر مواد دارویی مانند آنتی بادی ها و واکسن ها، استفاده از گیاهان تراریخته است. گیاهان تراریخته یک جایگزین اقتصادی برای سیستم های تولید مبتنی بر تخمیر هستند. واکسن‌ها یا آنتی‌بادی‌های گیاهی به‌ویژه چشمگیر هستند، زیرا گیاهان عاری از بیماری‌های انسانی هستند، بنابراین هزینه‌های غربالگری برای ویروس‌ها و سموم باکتریایی را کاهش می‌دهند. تعداد کشاورزانی که گیاهان تراریخته را در سیستم تولید خود وارد کرده اند در سال 2008، 13/3 میلیون نفر بوده است، در حالیکه این رقم در سال 2007، 11 میلیون نفر بوده است.
 


جمع بندی

کشت بافت گیاهی امیدوارکننده ترین زمینه های کاربردی در زمان حاضر را نشان می دهد و نگاهی به آینده دارد. تمام رویکردهای بیوتکنولوژیکی مانند مهندسی ژنتیک، القای هاپلوئید یا تغییرات سوماکلونال برای بهبود صفات به شدت به یک سیستم باززایی گیاهی کارآمد در شرایط آزمایشگاهی بستگی دارد. تولید سریع انبارهای کاشت با کیفیت بالا، عاری از بیماری و یکنواخت تنها از طریق ریز ازدیاد امکان پذیر است. فرصت‌های جدیدی برای تولیدکنندگان، کشاورزان و مالکان نهالستان‌ها برای کاشت با کیفیت بالا از میوه‌ها، گیاهان زینتی، گونه‌های درختان جنگلی و سبزیجات ایجاد شده است. تولید گیاه را می توان در طول سال صرف نظر از فصل و آب و هوا انجام داد. با این حال، فناوری ریزازدیادی در مقایسه با روش‌های متداول تکثیر از طریق بذر، قلمه و پیوند و غیره گران است. بنابراین اتخاذ تدابیری برای کاهش هزینه تولید ضروری است. تولید کم هزینه گیاهان مستلزم روش های مقرون به صرفه و استفاده بهینه از تجهیزات برای کاهش هزینه واحد تولید کارخانه است. با بهبود کارایی فرآیند و استفاده بهتر از منابع می توان به آن دست یافت. تکثیر گیاهان مبتنی بر بیوراکتور می‌تواند سرعت تکثیر و رشد کشت‌ها را افزایش داده و نیاز به فضا، انرژی و نیروی کار را هنگام شروع تکثیر تجاری کاهش دهد.

با این حال، استفاده از بیوراکتورها برای جلوگیری از آلودگی محیط کشت که ممکن است منجر به خسارات اقتصادی سنگین شود، نیاز به مراقبت و رسیدگی ویژه دارد. هزینه تولید نیز ممکن است با انتخاب چندین کارخانه کاهش یابد که امکان تولید در طول سال را فراهم می کند و امکان جریان هزینه و استفاده بهینه از تجهیزات و منابع را فراهم می نماید. همچنین داشتن کشت مادری کافی و کاهش تعداد واکشت ها برای جلوگیری از تنوع و برنامه‌ریزی تولید گیاهان بر اساس تقاضا ضروری است. کنترل کیفیت نیز برای اطمینان از تولید گیاهی با کیفیت بالا و جلب اطمینان مصرف کنندگان بسیار ضروری است. انتخاب منبع ریزنمونه، مواد عاری از بیماری، اصالت واریته و حذف واریانت های سوماکلونال از مهمترین پارامترها برای اطمینان از کیفیت گیاهان هستند. کشت in vitro نقش منحصر به فردی در کشاورزی و جنگلداری پایدار و رقابتی دارد و با موفقیت در اصلاح نباتات برای معرفی سریع گیاهان بهبود یافته استفاده شده است. کشت بافت گیاهی به بخشی جدایی ناپذیر از اصلاح نباتات تبدیل شده است.

همچنین می توان از آن برای تولید گیاهان به عنوان منبع واکسن های خوراکی استفاده نمود. بسیاری از مواد مفید مشتق شده از گیاه وجود دارد که می توانند در کشت بافت تولید شوند. از دو دهه گذشته تلاش های قابل توجهی در استفاده از کشت های سلولی گیاهی در تولید زیستی، تبدیل زیستی و مطالعات بیوسنتزی صورت گرفته است. تولید تجاری بالقوه داروها با تکنیک های کشت سلولی به تحقیقات دقیق در مورد توالی بیوسنتزی بستگی دارد. پتانسیل زیادی از کشت سلولی برای استفاده در تولید محصولات ثانویه ارزشمند وجود دارد. کشت بافت گیاهی یک روش اصیل برای بدست آوردن این مواد در مقیاس بزرگ است. کشت سلول های گیاهی پیشرفت های زیادی داشته است. شاید مهمترین نقشی که کشت سلولی گیاهی در آینده باید ایفا کند، ارتباط آن با گیاهان تراریخته باشد. توانایی تسریع نرخ ضرب معمولی می تواند برای بسیاری از کشورهایی که در آن یک بیماری یا برخی بلایای آب و هوایی محصولات را از بین می برد، مفید باشد. وقتی ژرم پلاسم در بانک های ژن مزرعه نگهداری می شود، از دست دادن منابع ژنتیکی یک موضوع رایج است. رشد آهسته در شرایط آزمایشگاهی ذخیره سازی و انجماد به عنوان راه حل هایی برای مشکلات ذاتی در بانک های ژن مزرعه پیشنهاد شده است.

از طریق بانک های ژن، نسل های آینده قادر خواهند بود به منابع ژنتیکی برای برنامه های ساده اصلاحی مرسوم یا برای کارهای پیچیده تر مانند انتقال ژنتیکی دسترسی داشته باشند. به این ترتیب، نقش بسزایی در توسعه و بهره وری کشاورزی دارد.
 
منبع: الطاف حسین، Islamia University of Bahawalpur