DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-070623-103551
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38211950
تاريخ النشر: 2024-01-11
المؤلف: Manuela Nagel وآخرون
الموضوع الرئيسي: إنبات البذور وعلم الفسيولوجيا
نظرة عامة
تؤكد هذه الفقرة على الحاجة الملحة للحفاظ على تنوع النباتات، مع التركيز بشكل خاص على الأنواع البرية والزراعية. وتبرز أنه بالنسبة لبعض الأنواع التي تحتوي على بذور قصيرة العمر للغاية، أو تلك التي لا تنتج بذورًا، فإن التجميد هو أمر أساسي للحفاظ على المدى الطويل. يناقش النص التحديات التي تطرحها تكوين بلورات الثلج في الأنسجة النباتية الخضرية عند درجات حرارة تحت الصفر، والتي يمكن أن تؤدي إلى أضرار كبيرة.
لتخفيف هذه الأضرار، يحدد الاستعراض طرقًا لتعزيز تركيز المواد المذابة الخلوية من خلال التجفيف الهوائي أو إضافة مواد الحماية من التجمد. تسهل هذه التقنيات، جنبًا إلى جنب مع التبريد السريع، انتقال الخلايا إلى حالة زجاجية عالية اللزوجة، مما يسمح لها بالبقاء قابلة للحياة أثناء التخزين. هذه الطريقة ضرورية للتجميد الفعال للأنواع النباتية الحساسة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للتكنولوجيا الحيوية المجهرية في الحفاظ على تنوع النباتات، وهو أمر ضروري لرفاهية الإنسان. تحدد التهديدات الرئيسية لتنوع النباتات، بما في ذلك فقدان المواطن، وتغير المناخ، واستخدام الأصناف الزراعية الحديثة. لمواجهة هذه التحديات، تم استخدام استراتيجيات حفظ متنوعة، مثل إنشاء محميات طبيعية واستخدام بنوك الجينات خارج الموقع للحفاظ على الموارد الجينية. تؤكد الورقة أنه بينما تنتج العديد من النباتات بذورًا تتحمل الجفاف يمكن تخزينها في ظروف جافة وباردة، فإن التجميد ضروري للأنواع ذات البذور المقاومة أو تلك التي لا تتكاثر بشكل صحيح.
يستخدم التجميد درجات حرارة منخفضة للغاية (عادة أقل من -130 درجة مئوية) لتقليل الحركة الجزيئية والشيخوخة، وبالتالي الحفاظ على سلامة الخلايا. تناقش المقدمة أهمية إدارة محتوى الماء وتركيزات المواد المذابة لمنع تكوين بلورات الثلج، والتي يمكن أن تلحق الضرر بالخلايا. كما تشير إلى التطور التاريخي لتقنيات التجميد، بدءًا من استخدام الجلسرين وثنائي ميثيل سلفوكسيد في منتصف القرن العشرين، وتبرز العمل الرائد لأكيرا ساكاي في تجميد النباتات. تختتم المقدمة بالإشارة إلى التقدم في طرق التزجيج، التي أصبحت الطريقة المفضلة للحفاظ على الأنسجة النباتية بسبب كفاءتها وتطبيقها الأوسع.
طرق
تحدد هذه الفقرة طرقًا متنوعة تم تطويرها على مدار الستين عامًا الماضية لتجميد تنوع النباتات، مع التأكيد على الطبيعة التجريبية لهذه التقنيات. يتم تقسيم عملية التجميد إلى ثلاث مراحل رئيسية: (1) تكاثر النباتات وتكييفها، (2) الثقافة المسبقة، الحماية من التجمد، التبريد، والتخزين، و(3) إعادة التسخين والتجديد. خلال المرحلة الأولية، يتم إعداد مادة نباتية عالية الجودة، مثل أطراف البراعم في المختبر أو البراعم الساكنة، وغالبًا ما تستفيد من خطوات التكييف لتعزيز المقاومة للجفاف وتكوين الثلج. تشمل طرق التجميد الرئيسية تجميد البراعم الساكنة، التبريد البطيء، التزجيج، والتجفيف بالتغليف.
تستخدم تقنيات التزجيج، التي تم تقديمها في عام 1990، حلول التزجيج النباتية (PVSs) مثل PVS2 وPVS3، والتي تسهل التجفيف السريع للخلايا وتمنع تكوين الثلج أثناء التبريد. طريقة التزجيج بالقطرات، التي تتميز بالتبريد السريع للغاية للعينات الصغيرة، هي الطريقة السائدة حاليًا. على سبيل المثال، تخضع الميرستيمات من براعم الموز أو البطاطس في المختبر لبروتوكول محدد يتضمن التعرض لمحلول تحميل ثم الغمر في PVS2 قبل تخزينها في النيتروجين السائل (LN). تشمل طرق التجفيف بالتغليف تغليف العينات في كرات الألجينات، والتي يتم تجفيفها ثم تخزينها في LN. بينما تكون هذه الطرق فعالة، إلا أنها أكثر تعقيدًا وأقل استخدامًا مقارنة بتقنيات التزجيج، التي تُعرف بتكرارها وقابليتها للتطبيق عبر مجموعة واسعة من الأنواع النباتية.
مناقشة
في قسم المناقشة من الورقة، يستكشف المؤلفون الآليات والمبادئ الأساسية لتجميد النباتات، مؤكدين على دور عوامل تكوين الثلج وأهمية زيادة تركيزات المواد المذابة الخلوية لمنع تكوين الثلج القاتل. يصفون كيف يمكن أن تعزز طرق التجميد المختلفة، مثل تجفيف التجميد، وتجفيف الأسموزي، واستخدام مواد الحماية من التجمد القابلة للاختراق (مثل DMSO والجلسرين)، بقاء الخلايا أثناء التجميد. يبرز القسم أهمية معدلات التبريد السريعة وتكوين حالة زجاجية لتقليل أضرار بلورات الثلج، بينما يتناول أيضًا التحديات التي تواجهها بنوك التجميد للأنواع الزراعية والبرية.
يناقش المؤلفون أيضًا الاستجابات الفسيولوجية للنباتات للتجميد، بما في ذلك دور بروتينات مضادة للتجمد (AFPs) في التحكم في نمو بلورات الثلج وحماية الهياكل الخلوية. يشيرون إلى أن التجميد الناجح يتطلب مجموعة من التقنيات المصممة خصيصًا لأنواع النباتات المحددة، مثل البراعم الساكنة والخلايا الجنينية الجسدية. يختتم القسم بتحديد الفجوات في المعرفة الحالية بشأن العمليات الجزيئية أثناء التجميد، داعيًا إلى مزيد من البحث لتعزيز كفاءة وقابلية تطبيق تقنيات التجميد في الحفاظ على تنوع النباتات والموارد الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-070623-103551
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38211950
Publication Date: 2024-01-11
Author(s): Manuela Nagel et al.
Primary Topic: Seed Germination and Physiology
Overview
The section emphasizes the critical need for the conservation of plant diversity, particularly focusing on wild and agricultural species. It highlights that for certain species with extremely short-lived seeds, or those that do not produce seeds, cryopreservation is essential for long-term preservation. The text discusses the challenges posed by ice crystal formation in vegetative plant tissues at sub-zero temperatures, which can lead to significant damage.
To mitigate this damage, the review outlines methods to enhance the concentration of cellular solutes through air drying or the addition of cryoprotectants. These techniques, combined with rapid cooling, facilitate the transition of cells into a vitrified, highly viscous state, allowing them to remain viable during storage. This approach is crucial for the effective cryopreservation of sensitive plant species.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of cryobiotechnology in conserving plant biodiversity, which is essential for human well-being. It outlines the primary threats to plant diversity, including habitat loss, climate change, and the use of modern agricultural varieties. To combat these challenges, various conservation strategies have been employed, such as the establishment of nature reserves and the use of ex situ genebanks for preserving genetic resources. The paper emphasizes that while many plants produce desiccation-tolerant seeds that can be stored under dry and cold conditions, cryopreservation is necessary for species with recalcitrant seeds or those that do not breed true.
Cryopreservation utilizes ultralow temperatures (typically below -130°C) to minimize molecular movement and aging, thereby preserving cellular integrity. The introduction discusses the importance of managing water content and solute concentrations to prevent ice crystal formation, which can damage cells. It also notes the historical development of cryopreservation techniques, beginning with the use of glycerol and dimethyl sulfoxide in the mid-20th century, and highlights the pioneering work of Akira Sakai in plant cryopreservation. The introduction concludes by mentioning advancements in vitrification methods, which have become the preferred approach for preserving plant tissues due to their efficiency and broader applicability.
Methods
The section outlines various methods developed over the past 60 years for cryopreserving plant diversity, emphasizing the empirical nature of these techniques. The cryopreservation process is divided into three main phases: (1) plant multiplication and conditioning, (2) preculture, cryoprotection, cooling, and storage, and (3) rewarming and regeneration. During the initial phase, high-quality plant material, such as in vitro shoot tips or dormant buds, is prepared, often benefiting from conditioning steps to enhance resistance to dehydration and ice formation. Key cryopreservation methods include dormant bud freezing, slow cooling, vitrification, and encapsulation-dehydration.
Vitrification techniques, introduced in 1990, utilize plant vitrification solutions (PVSs) like PVS2 and PVS3, which facilitate rapid cellular dehydration and prevent ice formation during cooling. The droplet vitrification method, characterized by extremely rapid cooling of small explants, is currently the predominant approach. For instance, meristems from in vitro banana or potato shoots undergo a specific protocol involving exposure to a loading solution and subsequent immersion in PVS2 before being stored in liquid nitrogen (LN). Encapsulation-dehydration methods involve encapsulating explants in alginate beads, which are dehydrated and then stored in LN. While these methods are effective, they are more complex and less frequently employed compared to vitrification techniques, which are noted for their reproducibility and applicability across a wide range of plant species.
Discussion
In the discussion section of the paper, the authors explore the mechanisms and principles underlying plant cryopreservation, emphasizing the role of ice-nucleating agents and the importance of increasing cellular solute concentrations to prevent lethal ice formation. They describe how various cryopreservation methods, such as freeze dehydration, osmotic dehydration, and the use of permeating cryoprotectants (e.g., DMSO and glycerol), can enhance cell survival during freezing. The section highlights the significance of rapid cooling rates and the formation of a glassy state to minimize ice crystal damage, while also addressing the challenges faced in cryobanking agricultural and wild plant species.
The authors further discuss the physiological responses of plants to freezing, including the role of antifreeze proteins (AFPs) in controlling ice crystal growth and protecting cellular structures. They note that successful cryopreservation requires a combination of techniques tailored to specific plant types, such as dormant buds and somatic embryogenic cells. The section concludes by identifying gaps in current knowledge regarding the molecular processes during cryopreservation, advocating for further research to enhance the efficiency and applicability of cryopreservation techniques in preserving plant biodiversity and agricultural resources.