Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Ботанический сад-институт Уфимского научного центра Российской академии наук

Заведующая: Альфия Ануровна Зарипова, канд. биол. наук.

Состав:

  • Калашник Надежда Александровна, вед. науч. сотр., канд. биол. наук
  • Ахметова Альбина Шамсуновна,  науч. сотр., канд. биол. наук
  • Мухаметвафина Аниса Анасовна,  науч. сотр., канд. биол. наук
  • Шигапова Альфира Инсафовна, науч. сотр.
  • Уразбахтина Карима Асхатовна, мл. науч. сотр.
  • Путенихина Карина Валерьевна, и.о. мл. науч. сотр.

Научные направления: исследование закономерностей морфогенетических процессов в изолированной культуре органов и тканей редких, исчезающих и ресурсных видов, ценных гибридов, перспективных сортов травянистых и древесных растений с целью сохранения и восстановления их генофонда. Разработка технологий их микроразмножения для практического применения. Создание коллекции in vitro. 

Созданная экспериментальная база состоит из лабораторного помещения с ламинарными установками и приборами, термостатированной культуральной комнаты, автоклавной, теплицы для доращивания регенерантов. 

Схема культивирования in vitro состоит из четырех основных этапов:

  1. Выбор растения-донора, изолирование эксплантов и получение хорошо растущей стерильной культуры.
  2. Собственно микроразмножение, когда достигается получение максимального количества меристематических клонов.
  3. Укоренение размноженных побегов с последующей адаптацией их к почвенным условиям.
  4. Выращивание растений в условиях теплицы и подготовка их к посадке в открытый грунт или реализации.

Использованы следующие методы микроклонального размножения:

  1. Активация уже существующих в растении меристем (апекс стебля, пазушные и спящие почки стебля).
  2. Индукция возникновения почек или эмбриоидов de novo:
  3. образование адвентивных побегов непосредственно тканями экспланта;
  • индукция соматического эмбриогенеза;
  • дифференциация адвентивных почек в первичной и пересадочной каллусной ткани.

Важнейшие научные достижения

Лаборатория организована в 1988 г. под руководством к.б.н. Р.К. Байбуриной. До этого времени биотехнологические исследования, начиная с 1985 г., проводились тематической группой в составе лаборатории генетики и морфогенеза лесных древесных растений Отдела биохимии и цитохимии УрО АН СССР. В рамках темы этой лаборатории «Изучение генофонда лесов Башкирии и разработка селекционных программ их генетического улучшения» начаты исследования процессов морфогенеза в культуре in vitro и разработка биотехнологических принципов размножения ценных генотипов лесных древесных растений для воспроизводства их популяций. 

 

Метод размножения древесных растений с использованием метода культуры изолированных тканей и органов, обозначаемый как клональное микроразмножение, позволяет реализовать потенциал растительного организма к размножению с большими перспективами: это прежде всего возможность сохранения генофонда редких и исчезающих видов; создание плантаций из размноженных в культуре in vitro проверенных по семенному потомству отдельных генотипов; использование в лесохозяйственном производстве ценных гибридов и форм, которые из-за невозможности вегетативного размножения не могли быть внедрены в производство.

Рисунок 1. Гибрид осины с белым тополем Populus tremula x P. alba, P. alba x P. Bolleana

В 1985-1991 гг. изучены морфогенетические потенции эксплантов высокогетерозисных гибридов осины с белым тополем Populus tremula x P. alba, P. alba x P. Bolleana селекции УкрНИИЛХА, полученных Н.В. Старовой.   Рисунок 1. При методическом руководстве чл.-корр. АН СССР Р.Г. Бутенко в 1986 г. разработана технология клонального микроразмножения этих гибридов, проведено массовое размножение гибридов, из которых на территории Ботанического сада созданы два коллекционных участка, а 2 тыс. растений-регенерантов переданы Туймазинскому ОПЛХО для создания плантации на древесное сырье (Р.К. Байбурина).  

Разработан лабораторный способ микроразмножения зрелых экземпляров лиственницы Сукачева Larix sukaczewii Dyl. в возрасте 20-100 лет с использованием зимних апикальных почек с годичных побегов. Разработаны способы трансплантации вегетативных почек взрослых деревьев на ювенильные сеянцы лиственницы в культуре тканей (микропрививки). Совместные исследования в этом направлении с учеными из Германии позволили получить привитые растения, растущие в грунте (В.П. Путенихин).

Рисунок 2. Береза карельская Betula pendula var. carelica (Merckl.) Hamet-Ahti

Разработана технология клонального микроразмножения березы карельской Betula pendula var. carelica (Merckl.) Hamet-Ahti и ее высокоствольных гибридов с узорчатой текстурой древесины, созданных селекционером Карельского филиала АН СССР В.И. Ермаковым. Рисунок 2.

Работы проводились на основе трехстороннего договора о научном сотрудничестве между Институтом леса Карельского филиала АН СССР, Минлесхозом БАССР и нашим Институтом. Выявлены индивидуальные различия по способности к регенерации внутри вида, а также гибридных семей. Этот факт установлен и для гибридов осины с тополем. Поэтому способы микроразмножения у древесных видов разрабатываются для каждого клона. Учитывались также факторы, определяющие морфогенетические потенции культивируемых органов (состояние родительского организма, возраст исходного растения и физиологический возраст экспланта, сезонность ритма развития). 

Немаловажное значение имеет подбор питательных сред по составу и содержанию в них фитогормонов. Изучение эндогенного статуса донорных растений березы карельской в годичном цикле развития дало возможность экзогенной гормональной регуляции морфогенетических процессов in vitro в зависимости от состояния эксплантов. В 1991-1994 гг. в культуру in vitro введены и размножены новые гибриды, в том числе ‘ледяная’ береза и высокодекоративная береза далекарлийская Betula pendula f. dalecarlica (L.) Schneid. (Р.К. Байбурина) ,  Рисунок 3, находящиеся под государственной охраной.

При отработке режима перевода растений-регенерантов из условий in vitro в грунт, а этот период является экстремальным в жизни регенерантов, исследовались их физиологические особенности (Ф.З. Фаттахова, Ф.Ш. Яппаров). С использованием метода диск-электрофореза в полиакриламидном геле проведена генетическая идентификация регенерантов. Изучение онтогенеза регенерантов карельской березы выявило ускорение перехода в генеративное состояние. Выявлена способность регенерантов к зеленому черенкованию при помощи стеблевых и в особенности листовых черенков без применения физиологически активных веществ. Выявлена зависимость черенкования от сезонности, продолжительности освещения, листорасположения.  

 В 1989-1991 гг. разработана технология клонального микроразмножения черного тополя Populus nigra L. с узорчатой текстурой древесины. Рисунок 4.  Донорные растения доставлялись из высокогорных районов Краснодарского края.

Рисунок 3. Береза далекарлийская Betula pendula f. dalecarlica (L.) Schneid.

Исследования по разработке технологий клонального микроразмножения ценных гибридов и генофонда природных видов древесных растений проводились по договору о творческом сотрудничестве с Институтом физиологии растений им. Тимирязева (Москва), Институтом леса Карельского филиала АН СССР (Петрозаводск), Минестерством лесного хозяйства БАССР. Осуществлялся обмен селекционным материалом с Институтом лесной науки (ГДР). 
По разработанным технологиям получены 3 авторских свидетельства на изобретения.  

Разработки лаборатории участвовали в тематических выставках на ВДНХ СССР. Руководитель Р.К. Байбурина за разработку технологий клонального микроразмножения ценных гибридов осины с белым тополем и гибридов березы карельской награждена серебряной и бронзовой медалями соответственно.

Актуальным направлением клеточных технологий в настоящее время является сохранение и воспроизводство редких и исчезающих видов растений. Перспективно использование метода культуры тканей для получения сырья лекарственных растений, имеющие широкое применение в медицинской практике. Эти технологии позволяют ускорить размножение редких и исчезающих видов растений, нуждающихся в охране и рассчитаны на получение дополнительного источника сырья в виде каллусных тканей и суспензионных культур, а также растений-регенерантов для плантационного выращивания сырья ресурсных лекарственных растений.

Рисунок 4. Тополь черный Populus nigra L.

 При разработке технологий микроразмножения лекарственных видов растений изучались анатомо-морфологические особенности строения эксплантов, содержание эндогенных гормонов в тканях, что значительно влияло на оптимизацию технологий и в конечном счете повышало продуктивность регенерации растений.

В 1991-1996 гг. разработана технология клонального микроразмножения родиолы розовой Rhodiola rosea L. и родиолы иремельской R. iremelica Boriss. на основе изучения закономерностей морфогенетических процессов в изолированной культуре органов и тканей и использования результатов иммуноферментного анализа содержания эндогенных гормонов в процессе внутрипочечного развития для определения времени изоляции экспланта и введения его в культуру тканей. Проведена химическая характеристика сырья и первичная фармакологическая оценка препаратов, приготовленных из сырья дикорастущих растений родиолы розовой и родиолы иремельской и их регенерантов, полученных методом культуры тканей. Показано, что сырье регенерантов родиолы розовой и родиолы иремельской, а также дикорастущей родиолы иремельской обладает аналогичными с дикорастущими растениями родиолы розовой, но более слабыми антиоксидантными и фармакологическими свойствами и может быть использовано в качестве дополнительного источника для приготовления препаратов стимулирующего действия (Р.К. Байбурина, М.М. Бикметова). По результатам исследований защищена кандидатская диссертация.

В 2003-2005 гг. в рамках Проекта «Изучение и разработка методов воспроизводства и реинтродукции редких и исчезающих видов ресурсных растений на примере родиолы иремельской» Гранта программы ИПЭЭ «Биоразнообразие и биоресурсы» (руководитель Л.М. Абрамова) сотрудниками лаборатории (Р.К. Байбурина, А.Ш. Ахметова, А.А. Зарипова, А.А. Мухаметвафина) был получен посадочный материал растений-регенерантов родиолы иремельской, создана плантация на территории Ботанического сада из растений, выращенных в культуре in vitro, затем они были переданы лаборатории дикорастущей флоры, сотрудники которой высадили растения-регенеранты в места произрастания для восстановления популяций родиолы иремельской в горно-лесной зоне РБ.

Рисунок 5. Родиола розовая Rhodiola rosea L.

В 1996-2000 гг. разработана технология размножения ценного лекарственного растения синюхи голубой Polemonium caeruleum L., включающая культивирование почек подземных ростовых побегов и пазушных почек генеративных побегов и семян на оптимизированной питательной среде, содержащей низкие концентрации фитогормонов.  С целью оптимизации питательной среды определено содержание эндогенных гормонов в перечисленных эксплантах в различные периоды развития перед введением эксплантов в культуру in vitro. Установлено повышенное содержание в почках цитокининов в сравнении с чрезвычайно низким содержанием ауксинов и АБК. Высокий коэффициент мультипликации ростовых побегов — до 160 шт. на один эксплант, очевидно обусловлен именно преобладанием в тканях растения фитогормонов цитокининовой природы. Анатомическими методами выявлено наличие нескольких меристематических зачатков в пределах одной ростовой почки подземного побега синюхи голубой, что открывает перспективу использования изучаемого экспланта в культуре in vitro с целью увеличения коэффициента размножения (А.А. Зарипова).

Рисунок 6. Родиола иремельская R. iremelica Boriss.

В 1997-2000 гг. изучены морфогенетические процессы в изолированной культуре органов и тканей и разработаны лабораторные способы размножения редкого ресурсного вида валерианы лекарственной Valeriana officinalis L. (А.А. Зарипова). Рисунок 8Оптимизированы условия введения эксплантов в культуру тканей, микроразмножения и укоренения. В качестве эксплантов рекомендуем использовать семена, пазушные почки репродуктивного побега и почки возобновления. Для валерианы лекарственной в условиях in vitro характерны следующие типы морфогенеза: геммогенез, каллусогенез и ризогенез. Метод культуры тканей возможно использовать для размножения валерианы лекарственной с целью получения большого количества посадочного материала в короткие сроки культивирования. Использование питательной среды MS, дополненной гормонами в оптимальных концентрациях, позволило достичь высокий коэффициент образования побегов. Укоренение микропобегов происходит на средах с низкими концентрациями ауксинов. Достигнута 100 %-я жизнеспособность растений-регенерантов в вермикулите.  

 В 1998-2000 гг. разработаны способы микроразмножения интродуцированных в Ботаническом саду растений, внесенных в Красную книгу СССР (1975): леспедецы двуцветной Lespedeza bicolor Turcz. и рапонтика сафлоровидного Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iljin (А.Ш. Ахметова), которые пользуются большим спросом как в народной, так и в научной медицине.  Проведенное изучение условий культивирования леспедецы двуцветной и рапонтика сафлоровидного in vitro показало возможность эффективного применения метода культуры тканей для их размножения. Разработаны приемы культивирования различных фрагментов асептического проростка леспедецы двуцветной с последующей индукцией органогенеза; коэффициент размножения побегов составил 5-7 на один эксплант. В качестве эксплантов для клонального размножения рапонтика сафлоровидного рекомендуется использовать части проростков и общее цветоложе молодых корзинок, характеризующиеся высокой морфофизиологической активностью. Коэффициент размножения побегов составляет 1:60 на один эксплант. Подобраны оптимальные питательные среды для укоренения индуцированных побегов. 

Рисунок 7. Синюха голубая Polemonium caeruleum L.

В 1998-1999 гг. разработан лабораторный способ размножения термопсиса ланцетолистного Thermopsis lanceolata R. Br. (А.А. Зарипова, Т.В. Жерновкова), заготовки которого запрещены и заросли требуют абсолютной охраны. Способ включает культивирование фрагментов стерильного проростка на питательной среде, содержащей фитогормоны. Индукция морфогенеза осуществляется по типам пазушного побегообразования и первичного каллусогенеза с последующей регенерацией побегов с высокой эффективностью размножения (7-20 растений на эксплант). Выявлена зависимость процесса морфогенеза от гормональных факторов среды, возрастного состояния экспланта, а также межпопуляционных различий в росте культуры in vitro. 

В 1999-2006 гг. разработана технология клонального микроразмножения пиона уклоняющегося Paeonia anomala L. (А.А. Зарипова, Р.К. Байбурина).  Пион уклоняющийся в Башкортостане чрезвычайно редок, находится под угрозой исчезновения. Представляет интерес как лекарственное растение, вошедшее в широкую медицинскую практику.

Рисунок 8. Валериана лекарственная Valeriana officinalis L.

Выявлена высокая морфофизиологическая активность боковых почек пиона уклоняющегося в культуре in vitro, зависящая от эндогенного содержания фитогормонов, места их расположения на побеге и времени изоляции. Показано, что оптимальными эксплантами для разработки технологии ускоренного размножения и увеличения выхода количества растений-регенерантов являются боковые почки и зародыши. Определены условия и получены растения-регенеранты путем экспериментального индуцирования эмбриоидов из каллусных тканей зародыша, листовых пластинок и их черешков из почки возобновления. Для эффективного микроразмножения разработаны следующие приёмы: а) активация боковых почек для мультипликации побегов; б) индукция соматических эмбриоидов из тканей зародыша и каллусной ткани; в) индукция морфогенной каллусной ткани из листовых пластинок и черешков листьев из почки возобновления. Экстракты, полученные из корней и корневищ растений-регенерантов и каллусной ткани пиона уклоняющегося, не уступают по содержанию фенольных соединений экстрактам из дикорастущих и интродуцированных растений. 
Разработанная технология клонального микроразмножения пиона уклоняющегося позволяет успешно решать проблему сохранения этого редкого и исчезающего вида растения, сократив сроки получения массового посадочного материала. А.А. Зариповой по результатам исследований защищена кандидатская диссертация.

Рисунок 9 Леспедеца двуцветная Lespedeza bicolor Turcz.

В 2006-2008 гг. разработана технология клонального микроразмножения in vitro редкого вида большеголовника серпуховидного Stemmacantha serratuloides (Georgi) M. Dittrich. (А.Ш. Ахметова, А.А. Мухаметвафина). В качестве эксплантов рекомендовано использовать семена. Отработанные схемы стерилизации и подготовки эксплантов (скарификация) для введения in vitro. Прорастание семян в условиях in vitro длительное. Изучено влияние трофических и гормональных факторов питательной среды на культивирование. Для большеголовника серпуховидного в условиях культуры in vitro характерны следующие типы морфогенеза: а) каллусогенез; б) геммогенез; в) ризогенез. Большеголовник серпуховидный образует каллус на различных эксплантах подземных и надземных органов проростка. Интенсивный каллусогенез и большой объем каллусной ткани формируется преимущественно на базальной части гипокотиля и на корнях. Геммогенез связан с активацией существующих меристем и индукцией образования почек de novo непосредственно на экспланте и из каллусной ткани. Наиболее интересным явлением является образование почек de novo на базальных срезах корней. Ранее образование корневых почек после заготовок (после поранения растений) в естественных местах обитания описано у большеголовника сафлоровидного. Наблюдали активацию существующих меристем из семядольных узлов и из пазух листьев розеточного побега. Установленно, что большеголовник серпуховидный относится к легкоукореняемым видам. Растения-регенеранты пересаживали в почвенный субстрат, в настоящее время они произрастают на коллекционном участке. 

Рисунок 10. Рапонтик сафлоровидный Rhaponticum carthamoides (Willd.)

 


В 2006-2007 гг. научные работы лаборатории были пополнены с комплексными исследованиями редких и ресурсных видов, которые велись в следующих основных направлениях: инвентаризация и уточнение таксономического статуса видов, распространение; экология и фитоценология редких и ресурсных видов флоры Южного Урала; популяционная биология редких и ресурсных видов; биология развития (онтогенез, поливариантность развития, адаптивный морфогенез) растений; стратегии жизни редких видов растений; разработка методов и способов охраны редких видов in situ и ex situ. 
Проведена оценка экологических, биологических и демографических характеристик видов, индивидуального и популяционного оптимумов, оценка состояния популяций видов сем. орхидные Orchidaceae и сем. валериановые Valerianaceae на Южном Урале (М.М. Ишмуратова). Уточнено распространение, эколого-ценотические и биологические характеристики видов рода валериана Valeriana в Республике Башкортостан. Изучены особенности онтогенеза, адаптивного морфогенеза и поливариантности развития орхидных в естественных условиях обитания. 

Изучены особенности биологии семян, описаны начальные этапы онтогенеза в условиях in vitro и in vivo большеголовника серпуховидного Stemmacantha serratuloides (М.М. Ишмуратова). 

В связи с возрастающим интересом и спросом в России на новые растения, а также необходимостью сокращения импорта посадочного материала, становится актуальной проблема массового размножения многолетних декоративно-цветочных культур. Эта проблема может быть успешно решена методом клонального микроразмножения, который используется не только в коммерческих целях, но и для выявления общих закономерностей морфогенеза растений, их особенностей проявления в условиях in vitro.  

Рисунок 11. Термопсис ланцетолистный Thermopsis lanceolata R. Br.

 

В 2000-2009 гг. разработаны этапы процесса клонального микроразмножения сортов и видов лилии Lilium L. (А.А. Мухаметвафина, Р.К. Байбурина) от получения стерильной культуры до доращивания растений в условиях in vivo с использованием в качестве эксплантов как чешуй и зачаточного побега луковиц лилий, так и генеративных органов – фрагментов бутонов. Детально изучены морфогенетические потенции фрагментов бутонов (цветоложа, околоцветников, тычиночных нитей, завязи, столбика) как перспективных эксплантов для получения массового посадочного материала. Установлено, что в культуре тканей генеративных органов лилий возможна реализация процессов адвентивного органогенеза. 

При использовании способа размножения фрагментами бутонов in vitro достигается максимальная стерилизация исходного материала, причем схема стерилизации гораздо проще, чем при введении в культуру in vitro чешуй луковиц; исключается возможность повреждения или гибели растения, являющегося донором экспланта, в случае дефицита исходного материала; является менее трудоемким по сравнению с размножением чешуек in vitro, проводится меньше манипуляций перед введением в культуру in vitro. 
Культура тканей и органов in vitro позволяет размножать лилии с более высоким выходом посадочного материала, чем при традиционном способе размножения. А.А. Мухаметвафиной по результатам исследований защищена кандидатская диссертация. 

Рисунок 12. Пион уклоняющийся Paeonia anomala L.

В 2001-2009 гг. с целью ускоренного размножения гибридов и выхода посадочного материала, разработан перспективный метод культуры изолированных зародышей тюльпана Tulipa L. (А.Ш. Ахметова, Р.К. Байбурина).  Выявлен оптимальный срок изоляции зародышей, размер зародыша. Подобрана оптимальная питательная среда, позволяющая размножать тюльпаны с эффективностью более чем в 125 раз превышающей традиционный способ вегетативного размножения. 
Доказана возможность эффективного применения метода культуры вегетативных и генеративных органов тюльпана in vitro, позволяющего решить проблему сокращения сроков получения посадочного материала. Выявлены оптимальные экспланты для микроразмножения путем мультипликации побегов: пазушные почки луковицы, цветоложе и завязь неокрашенных бутонов. А.Ш. Ахметовой по результатам исследований защищена кандидатская диссертация.  

Рисунок 13. Большеголовник серпуховидный Stemmacantha serratuloides (Georgi) M. Dittrich.

 


В настоящее время проводится изучение морфогенетических процессов в изолированной культуре органов и тканей и разработка технологий размножения таких редких и исчезающих видов растений как лилия кавказская, ковыль перистый и опушеннолистный, алтей лекарственный, остролодочник Гмелина, копеечник серебристолистный, рябчик русский, рододендрон Чонского и Шлеппенбаха, ирис низкий, мытник скипетровидный, стальник полевой и др. 
Начаты работы по разработке технологии клонального микроразмножения таких декоративных растений как сирень, рододендрон, сенполия, фаленопсис, петуния, бегония, хоста, роза и др. 

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ ЛАБОРАТОРИИ   

  1. Издательская деятельность лаборатории биотехнологии за 2001–2006 гг. Монографии, обзоры
  2. Шигапов З.Х., Путенихин В.П., Абрамова Л.М., Миронова Л.Н., Байбурина Р.К., Калашник Н.А., Сулейманова З.Н. Башкирский Ботанический сад. История, коллекции, научные достижения. РА «Информреклама», Уфа, 2002. 128 с. Статьи РАН 2002 г.
  3. Ахметова А.Ш., Байбурина Р.К. Клональное микроразмножение Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iljin in vitro. // Раст. ресурсы. 2002. Т. 38, вып. 4. С. 82-90. 2003 г.
  4. Ахметова А.Ш., Байбурина Р.К. Размножение Lespedeza bicolor Turcz. в культуре in vitro. // Раст. ресурсы. 2003. Т. 39, вып. 1. С. 115-121. 2004 г.
  5. Байбурина Р.К., Мухаметвафина А.А., Миронова Л.Н. Опыт культивирования некоторых видов Lilium L. in vitro. // Растительные ресурсы. Т. 40. Вып. 1. С.-Пб, 2004 . С. 82-89. 2005 г.
  6. Зарипова А. A., Байбурина Р. К. Культивирование in vitro почек возобновления Paeonia anomala L. // Раст. ресурсы. 2005. Т. 41, вып. 4. С. 22 – 30. 2006 г.
  7. Байбурина Р.К., Мухаметвафина А.А., Миронова Л.Н. Особенности регенерации гибридов азиатских лилий из фрагментов соцветий в культуре in vitro. // Сельскохозяйственная биология. 2006. № 1. С. 80 – 85.

Статьи ВАК

 2004 г.  Зарипова А.А., Шаяхметов И.Ф., Баширова Р.М., Байбурина Р.К. Влияние экстрагентов на состав биологически активных веществ в экстрактах из корней и каллусной ткани Paeonia anomala L. // Вестник Башкирского университета. 2004. № 2. С. 67 – 70. 

Публикации, направленные в печать, в 2006 году  

  1. Ахметова А.Ш., Байбурина Р.К., Миронова Л.Н. Культура изолированных зародышей гибридных форм тюльпана. // Сельскохозяйственная биология.
  2. Ахметова А.Ш., Байбурина Р.К., Миронова Л.Н Технология получения гибридных форм тюльпана методом эмбриокультуры. // Биотехнология
  3. Байбурина Р.К., Ахметова А. Ш., Миронова Л. Н., Шаяхметов И.Ф. Эмбриокультура тюльпанов. // Вестник БГУ