PEREIRA,
C. D.
MELO, B.
SUMÁRIO
2-
Estrutura de um laboratório de cultura de tecidos;
5-
Componentes de meios nutritivos;
6-
Preparação dos meios de cultura;
8- Tipos
de cultivos e aplicações da cultura de tecidos;
8.1-
micropropagação;
8.2-
Recuperação de plantas isentas de vírus (limpeza clonal);
8.3-
Microenxertia;
8.4-
Conservação in vitro de recursos
genéticos de plantas – conservação de germoplasma;
8.5-
Suspensão celular;
8.6-
Polinização e fertilização in vitro;
8.7-
Cultura de embriões;
8.8-
Cultura de ovários;
8.9-
Cultura de protoplastos;
8.10-
Obtenção de mutantes in vitro;
8.11-
Embriogênese somática;
8.12-
Produção de haplóides e duplos haplóides;
9- Cultura de tecidos vegetais x
plantas transgênicas;
A biotecnologia amplamente
definida, inclui qualquer técnica que usa organismo vivo ou parte dele para
fazer ou modificar produtos, melhorar plantas e animais, ou desenvolver
microorganismos para uso específico. Neste contexto as técnicas de cultura de
células, tecidos e órgãos vegetais compõem um importante grupo da biotecnologia
em plantas.
Os
primeiros trabalhos com cultura de tecidos, foram iniciados em 1902, com o pai
da cultura de tecidos Haberlandt. Estudando a regeneração de plantas originadas
de uma única célula, não obteve sucesso em seus experimentos, possivelmente, em
virtude da falta de “fitormônios”( compostos até então desconhecidos) no meio
nutritivo, bem como em decorrência da utilização de espécies inadequadas, e da
baixa densidade de inóculo e explantes de tecidos maduros. No entanto seu
trabalho contribui de forma decisiva para o desenvolvimento de pesquisas
futuras nesta área.
Hannig
(1904) foi o primeiro a cultivar in vitro
embriões imaturos de crucíferas (Raphanus
sativus, R. landra, R. caudatus e Colchlearia
danica). Ele observou a necessidade de suplementação do meio mineral com
sacarose para germinação dos embriões, bem como mostrou o efeito de diferentes
fontes de nitrogênio sobre a sua morfologia. Aiblach (1925) foi o primeiro a
visualizar a aplicação da cultura de embriões no melhoramento genético,
recuperando plantas híbridas de cruzamentos incompatíveis entre Linum austriacum x L. perene.
White (1934) recebeu o mérito do estabelecimento do
primeiro trabalho de cultura de tecidos, com a elaboração de um meio (líquido)
capaz de manter o crescimento de ápices radiculares de tomateiro (Lycopersicon esculentum) por um período
ilimitado. Com esse trabalho mostrou a importância de tiamina para o
crescimento de raízes in vitrom.
Também elaborou a “mistura orgânica” que leva o seu nome, utilizada até hoje
nas formulações de meios nutritivos.
Outra importante descoberta foi a identificação do
primeiro fitormônio, a auxina, ácido indolacético (Kogh et al., 1934). Isso possibilitou o estabelecimento e manutenção
indefinida de cultura de calo de cenoura. O interesse do grupo, liderado por
Skoog no controle químico da organogênese, concretizou-se com a descoberta da
cinetina (primeira citocinina) por Miller et
al. (1955; 1956), dando uma grande contribuição à área de cultura de
tecidos e ao estudo da fisiologia do crescimento e desenvolvimento de plantas.
No Brasil, os trabalhos pioneiros sobre cultura de tecidos
surgiram com Dr. Agesilau Bitancourt, do Instituto Biológico de São Paulo, na
década de 50. Uma equipe de cultura de tecidos se estabeleceu na ESALQ,
Piracicaba, em 1971, sob a liderança do Dr. Willian Sharp e da Dra. Linda
Caldas, onde iniciaram vários trabalhos na área.
É o local destinado ao descarte
de meios de cultura utilizados e outros resíduos, lavagem de vidraria,
autocalvagem de água, de meios de cultura e de utensílios diversos. Por estes
procedimentos em si, esta sala constitui um local onde as condições de assepsia
deixam a desejar.
Sala de
preparo
Local
destinado ao preparo de meios de cultura e de soluções diversas, bem como de
material vegetal destinado à introdução in
vitro.
Sala de
transferência
É onde se
manipula assepticamente o material vegetal, sendo um local exclusivo para a
capela de fluxo laminar e as estantes para estocagem temporária dos meios de
cultura já autoclavados, além de outros materiais esterilizados destinados ao
uso imediato. A circulação de pessoal nesta sala deve ser restrita.
Sala de cultura
É a área
onde as culturas serão mantidas até o momento de serem retiradas dos frascos.
Deve ser dotada de estantes iluminadas, com prateleiras de 50cm de largura e
distanciadas entre si de 40-45cm. A temperatura desta sala deve ser mantida em
torno de 27 oC, mediante o emprego de aparelhos de ar condicionado.
O fotoperíodo é mantido, normalmente, em 16h e a intensidade luminosa variando
de 50-60mmol m-2. s-1.
Autoclave
Utilizada
para esterilização de meio de cultura, vidraria, água e outros materiais.
Destilador e Deionizador
São
aparelhos utilizados para eliminar sais minerais da água.
Aparelho de banho-maria
Útil par
aquecimento moderado de soluções, meios d cultura e fusão de ágar, quando
necessário.
Aquecedor de água
Imprescindível
para a lavagem eficiente de frascos contendo meio de cultura semi-sólido,
dentre outras aplicações.
Lavador de pipetas
Equipamento
de baixo custo e essencial para simplificar o trabalho de lavar pipetas.
Refrigerador (geladeira)
Manutenção
de soluções estoque e reagentes diversos.
Freezer
Utilizado
para estocagem de reagentes que exigem temperatura abaixo de 0oC.
Balança
Necessária
para a pesagem de macronutrientes e outros reagentes usados em maior
quantidade.
Balança de precisão ou analítica
É
imprescindível para a pesagem de quantidade mínimas de alguns reagentes como os
reguladores de crescimento e alguns micronutrientes.
Medidor de pH
Necessário
para a determinação e ajuste do pH de meios de cultura, o qual influencia
categoricamente no sucesso do cultivo.
Agitador magnético
Auxilia
na dissolução de reagentes e determinação de pH.
Dessecador
Utilizado
na manutenção de frascos de certos reagentes muito higroscópios, em pó após
abertos.
Capela de fluxo laminar
Imprescindível
para os trabalhos de manipulação asséptica. Este equipamento força a passagem
de ar por meio de um filtro bacteriológico, de modo que seja criado um ambiente
estéril com pressão positiva, que evita a entrada de ar externo contaminado.
Microscópio estereoscópico
Utilizado
na identificação e manipulação de pequenas estruturas vegetais (meristemas,
pólen etc) ou de estruturas desenvolvidas in
vitro.
Os
meios nutritivos utilizados para a cultura de células, tecidos e órgãos de
plantas fornecem as substâncias essenciais para o crescimento dos tecidos e
controlam, em grande parte, o padrão de desenvolvimento in vitro. As mesmas vias bioquímicas e metabólicas básicas que
funcionam nas plantas são conservadas nas células cultivadas, embora alguns
processos, como fotossíntese, possam ser inativados pelas condições de cultivo
e pelo estado de diferenciação das células. Por isso, os meios nutritivos se
baseiam nas exigências das plantas quanto aos nutrientes minerais, com algumas
modificações para atender às necessidades específicas in vitro. Complementando as substâncias biossintetizadas pelas
células, vários compostos orgânicos são adicionados ao meio para suprirem as
necessidades metabólicos, energéticos e estruturais das células.
Alguns
dos primeiros meios apresentavam, entre os micronutrientes, metais exóticos
como níquel, titânio e berílio, além dos mais comuns (ferro, manganês, zinco,
cobre e boro). A lista dos minerais incluídos na maioria dos meios utilizados
hoje foi definida por White (1943b; 1945). O meio de White continha, ainda,
vitaminas e sacarose como suplementos orgânicos. Dos hormônios vegetais, ou
reguladores de crescimento, apenas a auxina ácido 3-indolacético era conhecida
nas décadas de trinta e quarenta.
Na tabela
1 são mostradas as concentrações dos diversos componentes de um dos principais
meios nutritivos, Murashige e Skoog, utilizado na técnica de cultura de tecidos
vegetais.
Tabela 1- Composição do meio de
cultura de Murashige & Skoog (1962).
|
CONSTITUINTES |
QUANTIDADE
em mg/L |
INORGÂNICOS
|
|
|
NH4NO3 |
1650 |
|
KNO3 |
1900 |
|
CaCl2
2 H2O |
440 |
|
MgSO4
7 H2O |
370 |
|
KH2PO4 |
170 |
|
KI |
0,83 |
|
H3BO3 |
6,2 |
|
MnSO4
4 H2O |
22,3 |
|
ZnSO4
7 H2O |
8,6 |
|
Na2MoO4
2 H2O |
0,25 |
|
CuSO4
5 H2O |
0,025 |
|
CoCl2
6 H2O |
0,025 |
|
FeSO4
7 H2O |
27,8 |
|
Na2
EDTA 2 H2O |
37,3 |
ORGÂNICOS
|
|
|
Inositol |
100 |
|
Tiamina
Hl |
0,1 |
|
Ácido
Nicotínico |
0,5 |
|
Piridoxina
HCl |
0,5 |
|
Glicina |
2,0 |
|
Sacarose |
30000 |
|
Ágar |
0,8% |
No
desenvolvimento dos meios nutritivos para a cultura de tecidos de plantas,
houve desde o início, uma procura de meios definidos de composição conhecida e
controlada. Assim, torna-se possível a reprodução dos resultados em qualquer
época ou lugar. Para evitar a contaminação dos meios por impurezas minerais,
todos os sais utilizados na sua preparação devem ser de qualidade analítica
(‘p.a’.).
A
água é o componente de maior quantidade no meio. É uma fonte potencial de
impurezas que podem afetar o crescimento de tecidos in vitro. A água destilada e deionizada, ou bi-destilada,
normalmente, é suficiente pura para uso nos meios. No entanto, dependendo da
fonte da água de laboratório (poço artesiano, por exemplo), podem ser
encontrados contaminantes orgânicos voláteis, que permanecem após a destilação
e inibem o crescimento das culturas.
Os
elementos exigidos em maiores quantidades para o crescimento de plantas
inteiras são incluídos nos meios nutritivos na forma de sais inorgânicos, são
eles o nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio e enxofre.
Os micronutrientes incluem
todos aqueles elementos minerais aceitos atualmente como essenciais para
plantas clorofiladas (manganês, zinco, boro, cobre, cloro, Ferro e molibdênio),
além do cobalto e iodo.
As
células, tecidos e plântulas cultivadas in
vitro não encontram condições adequadas de iluminação e concentração de CO2
e, às vezes, não apresentam teores de clorofila suficiente para realizar
fotossíntese que sustenta o crescimento. Portanto, a sacarose é o carboidrato
mais utilizado nos meios nutritivos, sendo que esse açúcar suporta as mais
altas taxas de crescimento na maioria das espécies. A concentração de sacarose
também é um fator importante para obter crescimento ótimo, dependendo do
explante. Culturas de embriões nos estágios iniciais de desenvolvimento
necessitam de concentrações elevadas de sacarose (12-18%), e altas
concentrações também estimulam a formação de embriões em cultura de anteras de
fumo (Sharp et al., 1971). A
concentração de sacarose mais usada é 3%. Outros compostos orgânicos, além de
carboidratos, foram testados como fonte de carbono, normalmente com pouco
sucesso.
Os
primeiros estudos com cultura de raízes definiram a mistura básica de vitaminas
utilizadas até hoje. Essa mistura consiste de tiamina (vitamina B1),
ácido nicotínico (niacina) e piridoxina (vitamina B6), a qual
normalmente se adiciona o aminoácido glicina.
O
mio-inositol é um componente do meio MS e da maioria dos outros meios em uso
atualmente. A concentração mais usada de mio-inositol nos meios é de 100 mg. l-1.
A
composição e concentração de hormônios no meio são fatores determinantes no
crescimento e no padrão de desenvolvimento na maioria dos sistemas de cultura
de tecidos. As auxinas e as citocininas são as classes de reguladores de
crescimento mais utilizadas na cultura de tecidos. A formação de raiz, parte
aérea e calo em cultura de tecidos é regulada pela disponibilidade e interação
dessas duas classes de reguladores de crescimento.
Existem
várias substâncias que pertencem a cada uma dessas classes de reguladores e que
são usadas, de acordo com o objetivo do estudo, nos meios de cultura. As várias
auxinas (AIA - ácido 3-indolacético, AIB - ácido indolbutírico e 2,4-D ácido
2,4-diclorofenoxiacético, entre outras) dão respostas diferentes in vitro. AIA é considerada uma auxina
instável, que se degrada facilmente pela luz ou pela atividade microbiana que a
transforma em triptofano.
Também
existem diferenças entre as citocininas, sendo que o BAP – 6-benzilaminopurina
induz a formação de grandes números de brotos e alta taxa de multiplicação em
muitos sistemas de micropropagação. Poucas culturas in vitro mostram respostas às giberelinas.
Os
meios nutritivos podem ser líquidos ou sólidos, sendo que a cultura em meio
líquido normalmente exige algum tipo de suporte ou agitação para fornecer o
oxigênio necessário para a respiração do explante. Os meios líquidos possuem a
vantagem de preparo mais rápido (e mais barato) do que os sólidos.
Os
meios sólidos ou semi-sólidos, tradicionalmente, são solidificados com ágar
(polissacarídeo extraído de algas marinhas) o qual é dissolvido em água
fervente sendo responsável pela consistência do meio que depende de sua concentração.
O
pH dos meios nutritivos em culturas de células vegetais é normalmente ajustado
com HCl ou NaOH, depois de adicionar todo os componentes, para um valor
ligeiramente ácido (entre 5 e 6).
Em
diferentes laboratórios, procedimentos diversos são utilizados para preparar os
meios nutritivos. Normalmente, mantêm-se soluções-estoque dos sais minerais na
geladeira em concetrações mais elevadas, a partir das quais, a preparação do
meio é efetuada.
Soluções-estoque
das vitaminas podem ser mantidas na geladeira ou no congelador; a sacarose e o
mio-inositol, que são utilizados em quantidades elevadas, são pesados sempre
que se prepara um meio nutritivo.
Os
meios são esterilizados após serem distribuídos nos frascos ou vasilhames de
cultura, por autoclavagem a 121oC (1 kg.cm-2) por 15 – 20
minutos. Os explantes (tecido, orgão ou qualquer parte da planta a ser
propagada) também são submetidos a desinfecção. Para isto existem muitas
drogas, mas é quase generalizado o emprego de etanol (70%) por 1-2 minutos. Os
explantes são imersos nesta solução e mantidos sob constante agitação. Em
seguida, deve ser enxaguados com água destilada e imersos em solução de
hipoclorito de sódio (2%) durante 15-20 minutos sob agitação e enxaguados com
água autoclavada, sendo este passo, feito em câmara de fluxo laminar, evitando
a recontaminação do material.
1-
MICROPROPAGAÇÃO
Uma
das muitas aplicações da micropropagação é a propagação maciça de plantas
superiores. Muitas vezes a propagação convencional é um processo lento durante
o qual doenças e problemas com patógenos podem diminuir a produção. A
micropropagação oferece o potencial para produzir milhares, ou às vezes,
bilhões de plantas, em relativo curto espaço de tempo.
Multiplicação por meio de brotos apicais e axilares: ambos,
os brotos apicais e axilares contêm meristemas quiescentes ou ativos,
dependendo do estado fisiológico da planta. Estes brotos apicais cultivados em
meio de cultura, sem reguladores de crescimentos, desenvolvem-se tipicamente em
brotos semelhantes a plântulas, com forte dominância apical. Quando colocados
na presença de citocininas de uma forma geral, brotos axilares se desenvolvem
prematuramente produzindo ramificações (brotos secundários e terciários) que
originam uma proliferação em massa resultando numa grande produção de plantas
com alta identidade genética.
Multiplicação por meio de cultura de calos: apesar
da cultura de calo possibilitar a ocorrência de aneuploidias e poliploidias,
acarretando em perdas da identidade genética do material propagado, o
propagador pode distinguir claramente regenerantes aberrantes na primeira etapa
do processo de multiplicação, eliminando as plantas indesejáveis. Esta técnica
possibilita a obtenção de uma grande quantidade de plantas a partir de um único
explante, sendo uma dos procedimentos mais eficientes na produção rápida de
plantas in vitro. No entanto a
propagação via calos deve ser evitada, principalmente, no caso de culturas economicamente
importantes.
2-
RECUPERAÇÃO DE PLANTAS ISENTAS DE VÍRUS (LIMPEZA CLONAL)
Utiliza-se principalmente ápices
caulinares para propagação de plantas isentas de vírus. Uma das vantagens deste
sistema é a manutenção da identidade do genótipo (planta) regenerado, que
ocorre na maioria dos casos em virtude das células do meristema do ápice
caulinar serem mais estáveis geneticamente. Além disso, o ápice é uma estrutura
organizada, que pode desenvolver-se diretamente em parte aérea, em meio de
cultura adequado, sem passar pela fase de calo (crescimento desordenada de
células), o que poderia levar à alterações genéticas.
3-
MICROENXERTIA
Essa técnica consiste em
microenxertar, em condições assépticas, um ápice caulinar, contendo dois a três
primórdios foliares, excisado de uma planta matriz, sobre um porta-enxerto
estabelecido (cultivado) in vitro.
Decapita-se o porta-enxerto e faz-se uma excisão em T invertido no seu topo, onde é introduzido o microenxerto. Com
esta técnica torna-se possível a produção de matrizes de fruteiras e outras
plantas arbóreas, com alta qualidade fitossanitária e com características
adultas, não se revertendo ao estado juvenil.
4-
CONSERVAÇÃO IN VITRO DE RECURSOS
GENÉTICOS DE PLANTAS – CONSERVAÇÃO DE GERMOPLASMA.
A
conservação de recursos genéticos vegetais é de grande importância , não só
para a preservação de espécies, mas também para o melhoramento vegetal. A
conservação in vitro é feita
utilizando-se estratégias técnicas que possibilitam a preservação da identidade
genética e o retardamento do crescimento das culturas, tais como: redução da
temperatura de incubação, aplicação de retardantes osmóticos e hormonais no
meio nutritivo, submersão das culturas
em óleo minerais, utilização de suspensões celulares em meios líquidos sob
agitação, armazenamento do material em baixas temperaturas (- 196oC)
ou criopreservação.
5-
SUSPENSÃO CELULAR
Este
processo é utilizado para a obtenção e proliferação de células em meio líquido,
sob condição de agitação contínua, para evitar possíveis gradientes
nutricionais e gasosos no meio de cultura. Além de ser uma técnica eficiente de
multiplicação rápida, as suspensões celulares tem uma grande aplicação para o
estudos de bioquímica, genética, citologia, fisiologia vegetal e fitopatologia.
Este tipo de cultivo também é empregado na produção de metabólitos
secundários
ou material clonal em escala comercial pela utilização de biorreatores.
Biorreatores podem ser conceituados
como equipamentos para cultivo sob imersão temporária ou permanente de células,
gemas, embriões ou qualquer tipo de propágulo que possa ser utilizado na
micropropagação. O cultivo é realizado utilizando-se meio de cultura líquido,
permitindo a renovação do ar durante este processo, bem como o monitoramento de
alguns parâmetros essenciais ao crescimento do propágulo, tais como pH,
oxigênio dissolvido, temperatura, concentração de íons, etc.
6-
POLINIZAÇÃO E FERTILIZAÇÃO IN VITRO
A
possibilidade de se obter novas combinações no cruzamento de plantas,
resultando em híbridos inter e entra-específicos, intergenéricos ou entre
espécies de famílias distintas, é dificultada por barreiras que podem ocorrer
antes da fertilização. Esta técnica permite, além de estudar os processos de
polinização, transpor barreiras à fertilização, impostas pelo estigma, estilete
ou ovário e recuperar híbridos interespecíficos e intergenéricos que não podem
ser obtidos pelos métodos convencionais in
vivo.
7-
CULTURA DE EMBRIÕES
Este
tipo de cultivo tem sido usado para superar dormência de sementes, em virtude
da imaturidade do embrião ou da presença de substâncias inibidoras no
endosperma; estudar os aspectos nutricionais e fisiológicos do desenvolvimento
do embrião; testar a viabilidade de sementes; recuperar híbridos raros de
cruzamentos incompatíveis; e como fonte de explantes devido a elevada
totipotência.
8-
CULTURAS DE OVÁRIOS
A
cultura de ovários fornece um sistema controlado para o estudo dos aspectos
nutricionais e fisiológicos do desenvolvimento de frutos e formação de
sementes. Este método também é utilizado para a propagação de plantas, a
indução de haplóides partenogênicos e a recuperação de híbridos
interespecíficos e intergenéricos.
9-
CULTURA DE PROTOPLASTOS
O
cultivo de protoplastos (células vegetais desprovidas de parede celular) vem
sendo utilizados no melhoramento de espécies de interesse agronômico, para
obtenção de plantas transgênicas, de híbridos somáticos e de mutantes ou
variantes somaclonais. Os protoplastos também constituem um sistema vegetal
para o estudo da expressão de genes isolados e sua regulação.
10-
OBTENÇÃO DE MUTANTES IN VITRO.
Por
meio da utilização de agentes mutagênicos físicos (luz UV, raios X, raios gama
etc) e químicos (antibióticos, alquilantes, azidas etc), é possível obter
mutantes induzidos apresentando mutações gênicas, cromossômicas e
extranucleares. Esta técnica tem uma grande aplicação para os melhoristas por
possibilitar a ampliação da variabilidade genética.
11-
EMBRIOGÊNESE SOMÁTICA
Embriogênese
somática, adventícia ou assexual são termos usualmente empregados para designar
o processo pelo qual células haplóides ou somáticas desenvolvem-se por meio de
diferentes estádios embriogênicos, dando origem a uma planta, sem que ocorra a
fusão de gametas. A embriogênese somática é um método importante para propagação
de plantas elite in vitro, em larga
escala. Além de servir de modelo para estudos básicos relacionados com a
fisiologia do desenvolvimento do embrião, esse sistema vem sendo utilizado para
produção de plantas transgênicas e sementes sintéticas.
12- PRODUÇÃO
DE HAPLÓIDES E DUPLOS HAPLÓIDES
Para
a produção de haplóides são utilizados principalmente a cultura de anteras ou
pólen, obtendo uma planta haplóide a qual passa por um tratamento específico
com antimitóticos (ex.: colchicina) para a duplicação do cromossomos. Já os
duplo-haplóides podem ser obtidos a partir da cultura in vitro de ovários ou óvulos não polinizados, ou após cultura de
embriões resultantes de cruzamentos interespecíficos ou intergenéricos.
CULTURA
DE TECIDOS VEGETAIS X PLANTAS TRANSGÊNICAS
A
aplicação dos princípios genéticos na obtenção de plantas com desempenho
agrícola superior tem sido sistemático e determinante para o aumento da
produtividade e para a conquista de novas fronteiras agrícolas. Para isto o
emprego de vários métodos de melhoramento e a utilização de novas tecnologias,
como a cultura in vitro de células e
tecidos de plantas, têm sido determinantes. Estas técnicas são empregadas de
diferentes formas no desenvolvimento de cultivares superiores de plantas. Em
geral, são utilizadas em uma ou outra etapa do melhoramento, não
necessariamente, no desenvolvimento direto de novas cultivares.
Com
o advento dos transgênicos, que do ponto de vista de um melhorista, não passa
de uma técnica avançada de melhoramento de última geração, a cultura de tecidos
vegetais também vem contribuindo para o sucesso da transformação genética,
dando suporte para a produção de transgênicos, sendo imprescindível no início
(fornecendo células, protoplastos ou tecidos) e no fim do processo, regenerando
e selecionando plantas geneticamente transformadas. Vale ressaltar que o
primeiro grupo de cultivares transgênicos comercializado em diversas partes do
mundo, como as resistentes a herbicidas, insetos e patógenos, foi desenvolvido
mediante uso de cultura de tecidos em combinação com métodos de Biologia
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