ऊतक संवर्धन (Tissue-culture) तकनीकें रणनीतियों और प्रौद्योगिकियों के एक बड़े समूह का हिस्सा हैं, जिसमें आणविक आनुवंशिकी (molecular genetics), पुनः संयोजक DNA (recombinant DNA) अध्ययन, जीनोम लक्षण वर्णन (genome characterization), जीन-स्थानांतरण (gene-transfer) तकनीकें, कोशिकाओं (cells), ऊतकों (tissues), अंगों (organs) की सड़न रोकनेवाला (aseptic) वृद्धि और पौधों का इन विट्रो पुनर्जनन (in vitro regeneration) शामिल हैं, जिन्हें पादप जैव प्रौद्योगिकी (plant biotechnologies) माना जाता है। हाल ही में जैव प्रौद्योगिकी (biotechnology) शब्द का उपयोग व्यापक हो गया है, लेकिन अपने सबसे सीमित अर्थ में, यह एक परपोषी पौधे (host plant) की आनुवंशिक संरचना को संशोधित करने के लिए उपयोग की जाने वाली आणविक तकनीकों को संदर्भित करता है, अर्थात आनुवंशिक इंजीनियरिंग (genetic engineering)। इस अध्याय में प्रजनन (breeding), विस्तृत संकरण (wide hybridization), अगुणित (haploidy), सोमाक्लोनल भिन्नता (somaclonal variation) और सूक्ष्म प्रसार (micro propagation) के माध्यम से फसल सुधार (crop improvement) के लिए विभिन्न ऊतक-संवर्धन दृष्टिकोणों के अनुप्रयोगों पर चर्चा की गई है।
पादप प्रजनन (Plant breeding) को सुविधाजनक रूप से दो गतिविधियों में विभाजित किया जा सकता है: आनुवंशिक परिवर्तनशीलता (genetic variability) में संशोधन करना और पौधों का मूल्यांकन (plant evaluation)। ऐतिहासिक रूप से, पौधों का चयन (selection) केवल उन पौधों से बीज (seeds) काटकर किया जाता था जिन्होंने खेत में सबसे अच्छा प्रदर्शन किया था। पौधों के नियंत्रित परागण (controlled pollination) से यह अहसास हुआ कि विशिष्ट संकरण (crosses) के परिणामस्वरूप एक नई पीढ़ी उत्पन्न हो सकती है जो खेत में माता-पिता (parents) या बाद की पीढ़ियों की संतानों (progeny) की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करती है, अर्थात संकर ओज (hybrid vigour) के माध्यम से हेटेरोसिस (heterosis) की अभिव्यक्ति देखी गई थी। चूंकि पादप प्रजनन में दो प्रमुख गतिविधियों में से एक आनुवंशिक परिवर्तनशीलता में संशोधन करना है, सफल पादप प्रजनन के लिए एक प्रमुख शर्त आनुवंशिक विविधता (genetic diversity) की उपलब्धता है। यह इसी क्षेत्र में है, आनुवंशिक विविधता पैदा करना और आनुवंशिक परिवर्तनशीलता में संशोधन करना, कि ऊतक-संवर्धन तकनीकों सहित जैव प्रौद्योगिकी का सबसे महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ रहा है। अधिकांश पादप-जैव प्रौद्योगिकी और पादप-प्रजनन कार्यक्रमों के एकीकरण (integration) की सामान्य कमी के बावजूद, ट्रांसजेनिक पौधों (transgenic plants) के क्षेत्र परीक्षण (field trials) हाल ही में बहुत अधिक आम हो गए हैं। 50 से अधिक विभिन्न पौधों की प्रजातियों को पहले ही आनुवंशिक रूप से संशोधित (genetically modified) किया जा चुका है, या तो वेक्टर-आश्रित (vector-dependent) (उदा. एग्रोबैक्टीरियम - Agrobacterium) या वेक्टर-स्वतंत्र (vector-independent) (उदा. बायोलिस्टिक - biolistic, माइक्रो-इंजेक्शन - micro-injection और लाइपोसोम - liposome) विधियों द्वारा। लगभग सभी मामलों में, संशोधित कोशिकाओं (modified cells) या ऊतकों को पुनर्प्राप्त करने के लिए किसी प्रकार की ऊतक-संवर्धन तकनीक (tissue-culture technology) का उपयोग किया गया है। वास्तव में, ऊतक-संवर्धन तकनीकों ने पादप आनुवंशिक इंजीनियरिंग (plant genetic engineering) के विकास में एक प्रमुख भूमिका निभाई है। भविष्य में आनुवंशिक-इंजीनियरिंग प्रक्रिया में ऊतक संवर्धन (tissue culture) एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता रहेगा, विशेष रूप से कुशल जीन स्थानांतरण (efficient gene transfer) और ट्रांसजेनिक पौधे की वसूली (transgenic plant recovery) में।
फसल सुधार के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता रुचि की खेती वाली लाइनों (cultivated lines) में नई आनुवंशिक सामग्री (genetic material) की शुरूआत है, चाहे वह आनुवंशिक इंजीनियरिंग के माध्यम से एकल जीन (single genes) के माध्यम से हो, या पारंपरिक संकरण (conventional hybridization) या ऊतक-संवर्धन तकनीकों के माध्यम से कई जीनों (multiple genes) के माध्यम से। एंजियोस्पर्म (angiosperms) में निषेचन (fertilization) के दौरान, पराग कणों (pollen grains) को परपोषी पौधे के वर्तिकाग्र (stigma) तक पहुँचना चाहिए, अंकुरित होना चाहिए और एक पराग नलिका (pollen tube) का उत्पादन करना चाहिए। पराग नलिका को वर्तिकाग्र और वर्तिका (style) में प्रवेश करना चाहिए और बीजांड (ovule) तक पहुंचना चाहिए। मादा गैमेटोफाइट (female gametophyte) के भीतर शुक्राणु (sperm) का निर्वहन सिंगेमी (syngamy) को ट्रिगर करता है और फिर दो शुक्राणु नाभिकों (sperm nuclei) को अपने संबंधित भागीदारों के साथ जुड़ना चाहिए। अंडाणु नाभिक (egg nucleus) और संलयन नाभिक (fusion nucleus) फिर क्रमशः एक विकासशील भ्रूण (developing embryo) और पोषण संबंधी भ्रूणपोष (nutritional endosperm) बनाते हैं। इस प्रक्रिया को कई चरणों में अवरुद्ध किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप संकरण (hybridization) के लिए एक कार्यात्मक बाधा (functional barrier) उत्पन्न होती है और दो पौधों के बीच जीन स्थानांतरण (gene transfer) में रुकावट आती है।
संकरण में पूर्व-युग्मनज बाधाओं (Pre-zygotic barriers) (निषेचन से पहले होने वाली बाधाएं), जैसे कि पराग (pollen) का अंकुरित न होना या पराग-नलिका (pollen-tube) का खराब विकास, को इन विट्रो निषेचन (in vitro fertilization) का उपयोग करके दूर किया जा सकता है। निषेचन के बाद होने वाली बाधाओं (Post-zygotic barriers) (निषेचन के बाद होने वाली बाधाएं), जैसे भ्रूणपोष (endosperm) के विकास की कमी, को भ्रूण (embryo), बीजांड या फली संवर्धन (pod culture) द्वारा दूर किया जा सकता है। जहां इन विट्रो (in vitro) उपचारों द्वारा निषेचन को प्रेरित नहीं किया जा सकता है, वहां वांछित संकर (hybrids) उत्पन्न करने में प्रोटोप्लास्ट संलयन (protoplast fusion) सफल रहा है। इन विट्रो निषेचन (In vitro fertilization - IVF) का उपयोग अंतर-विशिष्ट (interspecific) और अंतर-जेनेरिक (intergeneric) संकरणों को सुविधाजनक बनाने, शारीरिक-आधारित स्व-असंगति (physiological-based self incompatibility) को दूर करने और संकर पैदा करने के लिए किया गया है। पिस्टिल (pistils) के परागण (pollination) और बीजांडों (ovules) के स्व-परागण (self-pollination) और पर-परागण (cross-pollination) के माध्यम से IVF द्वारा पौधों की प्रजातियों की एक विस्तृत श्रृंखला को पुनर्प्राप्त किया गया है। इस श्रृंखला में कृषि फसलें शामिल हैं, जैसे तंबाकू, तिपतिया घास, मक्का, चावल, कोल, कैनोला, खसखस और कपास। विलंबित परागण (delayed pollination), दूरस्थ संकरण (distant hybridization), गर्भपात या विकिरणित पराग (abortive or irradiated pollen) के साथ परागण, और परपोषी अंडाशय (host ovary) के भौतिक और रासायनिक उपचार का उपयोग अगुणित को प्रेरित करने के लिए किया गया है।
विस्तृत संकरण की निषेचन के बाद (post-zygotic) विफलता का सबसे आम कारण खराब भ्रूणपोष विकास के कारण भ्रूण का गर्भपात (embryo abortion) है। भ्रूण संवर्धन इस प्रमुख बाधा को दूर करने के साथ-साथ कम बीज सेट (low seed set), बीज प्रसुप्ति (seed dormancy), धीमी बीज अंकुरण (slow seed germination) की समस्याओं को हल करने, एक सहजीवी भागीदार (symbiotic partner) की अनुपस्थिति में भ्रूण के विकास को प्रेरित करने और जौ (barley) के मोनोप्लोइड्स (monoploids) के उत्पादन में सफल रहा है। भ्रूण बचाव तकनीक (embryo rescue technology) को अपनाकर आइरिस (Iris) के प्रजनन चक्र (breeding cycle) को 2 से 3 साल से घटाकर कुछ महीने कर दिया गया था। इसी तरह का दृष्टिकोण ऑर्किड (orchids) और गुलाब (roses) के साथ काम कर चुका है और इसे केला (banana) और कोलोकेशिया (Colocasia) पर लागू किया जा रहा है। कृषि की दृष्टि से कई महत्वपूर्ण फसलों के अंतर-विशिष्ट और अंतर-जेनेरिक संकर (intergeneric hybrids) सफलतापूर्वक उत्पादित किए गए हैं, जिनमें कपास, जौ, टमाटर, चावल, जूट, होर्डियम X सिकेल (Hordeum X Secale), ट्रिटिकम x सिकेल (Triticum x Secale), ट्रिप्सैकमx ली (Tripsacumx lea) और कुछ ब्रासिका (Brassicas) शामिल हैं। कम से कम सात कनाडाई जौ की किस्में (Mingo, Rodeo, Craig, Winthrop, Lester और TB891-6) पर-परागण और भ्रूण बचाव (embryo rescue) की व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली बुलबोसम विधि (bulbosum method) के माध्यम से उत्पन्न दोहरे अगुणित (doubled haploids) से चयनित सामग्री से उत्पादित की गई हैं। संक्षेप में, होर्डियम वल्गारे (Hordeum vulgare) (2n = 14) को एच. बुलबोसम (H. bulbosum) (2n = 14) के पराग के साथ परागित किया जाता है। आम तौर पर, बीज लगभग 10 दिनों तक विकसित होते हैं और फिर गर्भपात हो जाता है, लेकिन अगर अपरिपक्व भ्रूणों (immature embryos) को बचाया जाता है और बेसल वृद्धि माध्यम (basal growth medium) पर संवर्धित किया जाता है, तो पौधों को पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। इस पर-परागण/भ्रूण बचाव (cross-pollination/embryo rescue) से उत्पन्न पौधे संकर के बजाय अगुणित (haploids) होते हैं और एच. बुलबोसम (H. bulbosum) गुणसूत्रों (chromosomes) के व्यवस्थित उन्मूलन (systematic elimination) का परिणाम होते हैं। इस तकनीक से अगुणित गेहूं (Haploid wheat) का भी उत्पादन किया गया है।
प्रोटोप्लास्ट संलयन को अक्सर अद्वितीय संकर पौधों (hybrid plants) को विकसित करने के साधन के रूप में सुझाया गया है जिन्हें पारंपरिक यौन संकरण (conventional sexual hybridization) द्वारा उत्पादित नहीं किया जा सकता है। प्रोटोप्लास्ट अधिकांश फसल प्रजातियों सहित कई पौधों से उत्पादित किए जा सकते हैं। हालाँकि, जबकि किसी भी दो पादप प्रोटोप्लास्ट (plant protoplasts) को रासायनिक या भौतिक साधनों द्वारा जोड़ा जा सकता है, अद्वितीय दैहिक संकर पौधों (somatic hybrid plants) का उत्पादन प्रोटोप्लास्ट के उत्पादन के बजाय संलयन उत्पाद (fused product) को पुनर्जीवित करने की क्षमता और अंतर-विशिष्ट संकरों (interspecific hybrids) में बांझपन (sterility) द्वारा सीमित है। संभवतः फसल उत्पादन में सुधार के लिए प्रोटोप्लास्ट (protoplasts) के उपयोग का सबसे अच्छा उदाहरण निकोटियाना (Nicotiana) का है, जहाँ प्रोटोप्लास्ट के रासायनिक संलयन के दैहिक संकर उत्पादों (somatic hybrid products) का उपयोग वाणिज्यिक तंबाकू की किस्मों (commercial tobacco cultivars) के अल्कलॉइड (alkaloid) और रोग-प्रतिरोधी (disease-resistant) लक्षणों को संशोधित करने के लिए किया गया है।
दैहिक संकर (Somatic hybrids) क्लोरोफिल की कमी वाले एन. रस्टिका (N. rustica) के सेल निलंबन (cell suspension) से प्रोटोप्लास्ट को एन. टैबैकम (N. tabacum) के अल्बिनो म्यूटेंट (albino mutant) के साथ कैल्शियम-पॉलीथीन ग्लाइकोल उपचार (calcium-polyethylene glycol treatment) का उपयोग करके मिला कर उत्पादित किए गए थे। जंगली एन. रस्टिका (N. rustica) माता-पिता में उच्च अल्कलॉइड स्तर और ब्लैक रूट रॉट (black root rot) के प्रतिरोध के वांछनीय लक्षण थे। संलयन उत्पादों (Fusion products) को चमकीले हरे सेल कॉलोनियों (cell colonies) के रूप में चुना गया था, रंग संकर कोशिकाओं (hybrid cells) में क्लोरोफिल संश्लेषण (chlorophyll synthesis) के लिए आनुवंशिक पूरकता (genetic complementation) के कारण था। प्ररोह अंगजनन (shoot organogenesis) द्वारा पुनर्प्राप्त पौधों ने पत्ती अल्कलॉइड (leaf alkaloid) सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला दिखाई, लेकिन उनमें बांझपन का उच्च स्तर था। हालाँकि, खेती की गई एन. टैबैकम (N. tabacum) माता-पिता को तीन बैकक्रॉस पीढ़ियों (backcross generations) के बाद, हाइब्रिड लाइनों (hybrid lines) में पौधों की उर्वरता (plant fertility) बहाल हो गई थी, हालाँकि उनकी अल्कलॉइड सामग्री और ब्लू मोल्ड (blue mould) और ब्लैक रूट रॉट के प्रति प्रतिरोध अत्यधिक परिवर्तनशील (variable) थे। दिलचस्प बात यह है कि किसी भी माता-पिता को ब्लू मोल्ड के लिए महत्वपूर्ण प्रतिरोध रखने के लिए नहीं जाना जाता था।
दो व्यावसायिक किस्में (commercial varieties), डेलगोल्ड (Delgold) और एसी चांग (AC Chang), इन प्रोटोप्लास्ट संलयन उत्पादों (protoplast fusion products) की संतानों से जारी की गई हैं और वर्तमान में ओंटारियो, कनाडा में लगभग 42% फ्लू-क्यूर्ड तंबाकू के रकबे (fluecured tobacco acreage) में उगाई जाती हैं। यह लगभग 199,000,000 अमेरिकी डॉलर के मूल्य का प्रतिनिधित्व करता है। जहां आनुवंशिक पूरक चयन प्रणाली (genetic complementation selection system) में उपयोग के लिए दाता पौधों (donor plants) की उत्परिवर्ती कोशिका रेखाएं (mutant cell lines) उपलब्ध नहीं हैं, यह प्रदर्शित किया गया है कि ट्रांसजेनिक एंटीबायोटिक प्रतिरोध (transgenic antibiotic resistance) ले जाने वाले दाता माता-पिता से मेसोफिल प्रोटोप्लास्ट (mesophyll protoplasts) का उपयोग दोहरे एंटीबायोटिक प्रतिरोध (dual antibiotic resistance) द्वारा चयनित उपजाऊ दैहिक संकर (fertile somatic hybrids) का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। सोलेनम मेलोन्जेना (Solanum melongena) (बैंगन) की 6-अज़ौरासिल-प्रतिरोधी सेल लाइनों (6-azauracil-resistant cell lines) से प्रोटोप्लास्ट के जंगली प्रजातियों एस. सिसिम्ब्रिलफोलियम (S. sisymbrilfolium) के प्रोटोप्लास्ट के साथ संलयन (fusion) से संकर (hybrid), बैंगनी-रंजित सेल कॉलोनियों (purple-pigmented cell colonies) का उत्पादन हुआ जो अंगजनन (organogenesis) के माध्यम से पुनर्जनन (regeneration) से गुज़रे। चूंकि माता-पिता के सेल निलंबन संवर्धनयों (parental cell suspension cultures) से प्रोटोप्लास्ट को पुनर्जीवित नहीं किया जा सकता था, संकरों को उनके 6-अज़ौरासिल प्रतिरोध (6-azauracil resistance), एंथोसायनिन (anthocyanins) (बैंगनी वर्णक) को संश्लेषित करने की क्षमता और प्ररोह अंगजनन से गुजरने की क्षमता द्वारा जांचा (screened) जा सकता था। पूरकता (complementation) के माध्यम से पुनर्जनन क्षमता की बहाली निकोटियाना सेल-संलयन उत्पादों (Nicotiana cell-fusion products) में भी देखी गई है। इस अध्ययन के परिणामस्वरूप प्राप्त संकर रूट नॉट नेमाटोड (root knot nematodes) और स्पाइडर माइट्स (spider mites) के प्रतिरोधी पाए गए, जो महत्वपूर्ण कृषि लक्षण हैं। हालाँकि, वे पूरी तरह से बाँझ (sterile) भी थे और उन्हें बैंगन-प्रजनन कार्यक्रम (aubergine-breeding programme) में शामिल नहीं किया जा सकता था। इस बांझपन की समस्या को हल करने के दो संभावित तरीके, खेती किए गए माता-पिता के साथ दैहिक संकर के 'बैक' संलयन ('back' fusions) और हाइब्रिड कोशिकाओं के निलंबन संवर्धनयों (suspension cultures) की शुरुआत ताकि अधिक जंगली प्रजातियों के गुणसूत्रों (wild species chromosomes) को समाप्त किया जा सके, इन संकरों के साथ अब तक असफल रहे हैं। फसल पौधों में संकरण के लिए संकर का चयन और प्रोटोप्लास्ट संलयन के उपयोग की सूचना ब्रासिका, खट्टे (citrus), चावल, गाजर, कैनोला (canola), टमाटर और चारा फलियां (forage legumes) अल्फाल्फा (alfalfa) और तिपतिया घास (clover) में दी गई है। इवांस और ब्रावो (Evans & Bravo, 1988) ने सिफारिश की है कि प्रोटोप्लास्ट संलयन के माध्यम से नवीन संकर (novel hybrids) के उत्पादन में चार क्षेत्रों पर ध्यान देना चाहिए:
अगुणित पौधे (Haploid plants) पादप प्रजनकों (plant breeders) के लिए रुचि के हैं क्योंकि वे सरल अप्रभावी आनुवंशिक लक्षणों (recessive genetic traits) या उत्परिवर्तित अप्रभावी जीन (mutated recessive genes) की अभिव्यक्ति की अनुमति देते हैं और क्योंकि दोगुने अगुणित को तुरंत समयुग्मजी प्रजनन लाइनों (homozygous breeding lines) के रूप में उपयोग किया जा सकता है। विट्रो-उत्पादित अगुणित (in vitro-produced haploids) के माध्यम से समयुग्मजी प्रजनन लाइनों के उत्पादन में दक्षता अन्य तरीकों की तुलना में समय और लागत दोनों में महत्वपूर्ण बचत (savings) का प्रतिनिधित्व करती है। अगुणित उत्पन्न करने के लिए तीन इन विट्रो विधियों का उपयोग किया गया है:
वर्तमान में, पराग, माइक्रोस्पोर (microspore) और परागकोष संवर्धन (anther culture) द्वारा अगुणित पौधे उत्पन्न करने के लिए 171 पौधों की प्रजातियों का उपयोग किया गया है। इनमें अनाज (जौ, मक्का, चावल, राई, ट्रिटिकेल और गेहूं), चारा फसलें (अल्फाल्फा और तिपतिया घास), फल (अंगूर और स्ट्रॉबेरी), औषधीय पौधे (डिजिटलिस - Digitalis और हायोसायमस - Hyoscyamus), सजावटी पौधे (जरबेरा और सूरजमुखी), तिलहन (कैनोला और रेप), पेड़ (सेब, लीची, चिनार और रबर), वृबेसोपण फसलें (कपास, गन्ना और तंबाकू), और सब्जियों की फसलें (शतावरी, ब्रसेल्स स्प्राउट्स, गोभी, गाजर, काली मिर्च, आलू, चुकंदर, शकरकंद, टमाटर और विंग बीन) शामिल हैं। परागकोष संवर्धन से प्राप्त अगुणित गेहूं की किस्में फ्रांस और चीन में जारी की गई हैं। परागकोष संवर्धन-व्युत्पन्न अगुणित (anther culture-derived haploids) का उपयोग करके चीनी मक्का-प्रजनन कार्यक्रम (maize-breeding programme) में इनब्रेड लाइनों (inbred lines) के उत्पादन में 5 से 7 वर्ष बचाए गए। ट्रिटिकेल (triticale) और बागवानी फसल (horticultural crop) फ्रीशिया (Freesia) के लिए इसी तरह की बचत की सूचना दी गई है। शतावरी (asparagus) में, परागकोष-व्युत्पन्न अगुणित (anther-derived haploids) का उपयोग फ्रांस में एक सर्व-पुरुष F1 हाइब्रिड किस्म (all-male F1 hybrid variety) का उत्पादन करने के लिए किया गया है।
उत्परिवर्तजन (mutagen) की उपस्थिति या अनुपस्थिति में एक चयनात्मक एजेंट (selective agent) के अनुप्रयोग के परिणामस्वरूप प्राप्त वेरिएंट/उत्परिवर्ती (variants/mutants) (सेल लाइन और पौधे) के अलावा, ऊतक-संवर्धन चक्र (tissue-culture cycle) के माध्यम से कई वेरिएंट प्राप्त किए गए हैं। ये सोमा क्लोनल वेरिएंट (soma clonal variants), जो कोशिकाओं की आबादी में प्राकृतिक भिन्नता (natural variation) पर निर्भर हैं, आनुवंशिक (genetic) या एपिजेनेटिक (epigenetic) हो सकते हैं, और आमतौर पर पुनर्जीवित पौधों (regenerated plantlets) में देखे जाते हैं। सोमाक्लोनल भिन्नता अपने आप में एक साधारण घटना नहीं लगती है, और यह पूर्व-मौजूदा सेलुलर आनुवंशिक अंतर (cellular genetic differences) या ऊतक संवर्धन-प्रेरित परिवर्तनशीलता (tissue culture-induced variability) को प्रतिबिंबित कर सकती है। भिन्नता (variation) कई प्रकार के परमाणु गुणसूत्रीय पुनर्व्यवस्थाओं (nuclear chromosomal re-arrangements) और नुकसान, जीन प्रवर्धन (gene amplification) या डी-एम्प्लीफिकेशन (de-amplification) के माध्यम से उत्पन्न हो सकती है: गैर-पारस्परिक समसूत्री पुनर्संयोजन घटनाओं (non-reciprocal mitotic recombination events), ट्रांसपोज़ेबल तत्व सक्रियण (transposable element activation), स्पष्ट बिंदु उत्परिवर्तन (point mutations), या मल्टीजीन परिवारों (multigene families) में मूक जीनों (silent genes) के पुनः सक्रियण (re-activation), साथ ही मातृ वंशानुक्रम में मिली विशेषताओं (maternally inherited characteristics) में परिवर्तन। इन विट्रो पुनर्जीवित पौधों (regenerated plants) में देखे गए कई परिवर्तनों का संभावित कृषि और बागवानी महत्व (agricultural and horticultural significance) है। इनमें पौधे के रंजकता (plant pigmentation), बीज की उपज (seed yield), पौधे के ओज (plant vigour) और आकार, पत्ती और फूल की आकृति विज्ञान (morphology), आवश्यक तेलों (essential oils), फल ठोस और रोग सहिष्णुता (disease tolerance) या प्रतिरोध में परिवर्तन शामिल हैं। गेहूं, ट्रिटिकेल, चावल, जई, मक्का, गन्ना, अल्फाल्फा, तंबाकू, टमाटर, आलू, तिलहन रेप और अजवाइन सहित कई फसलों में इस तरह की विविधताएं (variations) देखी गई हैं। दैहिक कोशिकाओं (somatic cells) और प्रोटोप्लास्ट से प्राप्त समान प्रकार की भिन्नता गैमेटिक ऊतक (gametic tissue) से भी प्राप्त की जा सकती है। सोमाक्लोनल भिन्नता के प्रमुख संभावित लाभों में से एक संकरण का सहारा लिए बिना सह-अनुकूलित (co adapted), कृषि की दृष्टि से उपयोगी खेती (agronomically useful cultivars) में अतिरिक्त आनुवंशिक परिवर्तनशीलता का निर्माण है। यह विधि मूल्यवान हो सकती है यदि इन विट्रो में चयन संभव हो, या यदि तेजी से पादप-स्क्रीनिंग (plant-screening) विधियां उपलब्ध हों। यह माना जाता है कि इन-विट्रो संवर्धन के दौरान कुछ लक्षणों (characters) के लिए सोमाक्लोनल वेरिएंट (somaclonal variants) को बढ़ाया जा सकता है, जिसमें रोग रोगजनकों (disease pathotoxins) और शाकनाशियों (herbicides) के प्रतिरोध और पर्यावरणीय या रासायनिक तनाव (environmental or chemical stress) के प्रति सहिष्णुता शामिल है। हालाँकि, वर्तमान में सोमाक्लोनल भिन्नता के दोहन के माध्यम से किसी भी कृषि की दृष्टि से महत्वपूर्ण फसल (agronomically important crop) की कुछ ही किस्में तैयार की गई हैं。
पिछले 30 वर्षों के दौरान सभी प्रकार के पौधों से एक्सप्लांट (explants) और/या कैलस (callus) से छोटे पौधों (plantlets) को पुनर्जीवित (regenerate) करना संभव हो गया है। नतीजतन, प्रजातियों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए प्रयोगशाला-स्तरीय सूक्ष्म प्रसार प्रोटोकॉल (protocols) उपलब्ध हैं और वर्तमान में सूक्ष्म प्रसार पादप ऊतक-संवर्धन (plant tissue-culture) तकनीक का सबसे व्यापक उपयोग है। बर्तनों (vessels) के बीच बार-बार ऊतकों (tissue) को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक श्रम की लागत और सड़न रोकनेवाला (asepsis) की आवश्यकता सूक्ष्म प्रसार के उत्पादन लागत का 70% तक हो सकती है। विट्रिफिकेशन (vitrification), अनुकूलन (acclimatization) और संदूषण (contamination) की समस्याएं ऊतक-संवर्धन प्रयोगशाला में भारी नुकसान का कारण बन सकती हैं। सुसंस्कृत लाइनों (cultured lines) में आनुवंशिक विविधताएं (Genetic variations), जैसे कि पॉलीप्लोइडी (polyploidy), एन्यूप्लोइडी (aneuploidy) और उत्परिवर्तन (mutations), को कई प्रणालियों में रिपोर्ट किया गया है और इसके परिणामस्वरूप ऊतक-संवर्धित उत्पादों (tissue-cultured products) में वांछनीय आर्थिक लक्षणों (economic traits) का नुकसान हुआ है। सूक्ष्म प्रसार के लिए तीन विधियों का उपयोग किया जाता है:
कक्षीय-कली का टूटना सबसे कम संख्या में पौधे पैदा करता है, क्योंकि उत्पादित प्ररोहों (shoots) की संख्या संवर्धित कक्षीय कलियों (axillary buds) की संख्या द्वारा नियंत्रित होती है, लेकिन वाणिज्यिक सूक्ष्म प्रसार (commercial micropropagation) में सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली विधि बनी हुई है और सबसे सही प्रकार के (true to- type) पौधे पैदा करती है। आकस्मिक नवोदित (Adventitious budding) में पौधे पैदा करने की अधिक क्षमता होती है, क्योंकि इनोकुलम (inoculum) के किसी भी हिस्से पर बड प्राइमोर्डिया (bud primordia) बन सकते हैं। दुर्परिणति से, दैहिक भ्रूणजनन, जिसमें सबसे अधिक संख्या में पौधे पैदा करने की क्षमता है, वर्तमान में केवल कुछ प्रजातियों में ही प्रेरित किया जा सकता है।
एक कृत्रिम या सिंथेटिक बीज को एक कोटिंग (coating) के अंदर समाहित एक दैहिक भ्रूण (somatic embryo) के रूप में परिभाषित किया गया है और इसे युग्मनज बीज (zygotic seed) के अनुरूप माना जाता है। सिंथेटिक बीज कई अलग-अलग प्रकार के होते हैं: वाटर जेल (water gel) में समाहित दैहिक भ्रूण (somatic embryos); सूखे और लेपित दैहिक भ्रूण; सूखे और बिना लेपित दैहिक भ्रूण; द्रव वाहक (fluid carrier) में निलंबित दैहिक भ्रूण; और प्ररोह कलियाँ (shoot buds) एक वाटर जेल में समाहित होती हैं। वनस्पति रूप से प्रचारित फसलों (vegetatively propagated crops) में अधिक पारंपरिक सूक्ष्म प्रसार प्रोटोकॉल (micropropagation protocols) में सुधार के रूप में सिंथेटिक बीजों (synthetic seeds) का उपयोग, दीर्घावधि में, ऊतक संवर्धन और फसल सुधार में लागत बचत (cost saving) ला सकता है, क्योंकि पौधों को इन विट्रो से मिट्टी/खेत (soil/field) की स्थितियों में स्थानांतरित करने के श्रम-गहन चरण को दूर किया जा सकता है। अन्य अनुप्रयोगों में नर बाँझ लाइनों (male sterile lines) का रखरखाव, संकर फसल उत्पादन (hybrid crop production) के लिए पैतृक लाइनों (parental lines) का रखरखाव, और लकड़ी के पौधों (woody plants) के कुलीन जीनोटाइप (elite genotypes) का संरक्षण और गुणन (multiplication) शामिल है जिनमें लंबे समय तक किशोर विकास चरण (juvenile developmental phases) होते हैं। हालाँकि, इस तकनीक के व्यापक अनुप्रयोग से पहले, सोमाक्लोनल भिन्नता को कम करना होगा, रुचि की प्रजातियों (species) में उच्च गुणवत्ता वाले भ्रूणों (embryos) का बड़े पैमाने पर उत्पादन सही करना होगा, और मौजूदा बीज या सूक्ष्म प्रसार प्रौद्योगिकियों (micropropagation technologies) की तुलना में प्रोटोकॉल को लागत प्रभावी (cost-effective) बनाना होगा।
फसली पौधे, विशेष रूप से वनस्पति रूप से प्रचारित किस्में (vegetatively propagated varieties), आमतौर पर रोगजनकों (pathogens) से संक्रमित होते हैं। स्ट्रॉबेरी (Strawberry) के पौधे 60 से अधिक वायरस (viruses) और माइकोप्लाज्मा (mycoplasms) के प्रति संवेदनशील होते हैं और इसके लिए अक्सर मातृ पौधों (mother plants) को सालाना बदलने की आवश्यकता होती है। कई मामलों में, हालांकि वायरस या अन्य रोगजनकों की उपस्थिति स्पष्ट नहीं हो सकती है, संक्रमण (infection) के परिणामस्वरूप उपज (yield) या गुणवत्ता (quality) काफी कम हो सकती है। उदाहरण के लिए, चीन में, इन विट्रो संवर्धन द्वारा उत्पादित वायरस-मुक्त आलू (virus-free potatoes) ने 150% तक की वृद्धि के साथ सामान्य खेत के पौधों की तुलना में अधिक उपज दी। चूँकि केवल लगभग 10% वायरस ही बीजों के माध्यम से प्रेषित होते हैं, बीज से सावधानीपूर्वक प्रसार (propagation) पादप सामग्री (plant material) से अधिकांश वायरस को समाप्त कर सकता है। सौपरिणति से, एक पौधे में वायरस का वितरण एक समान नहीं है और एपिकल मेरिस्टेम (apical meristems) में या तो वायरस की घटना बहुत कम होती है या वायरस-मुक्त (virus-free) होते हैं। एपिकल मेरिस्टेम का उच्छेदन (excision) और संवर्धन, थर्मो- (thermo-) या कीमो-थेरेपी (chemo-therapy) के साथ, सूक्ष्म प्रसार के लिए वायरस-मुक्त और आम तौर पर रोगज़नक़-मुक्त (pathogen-free) सामग्री का उत्पादन करने के लिए सफलतापूर्वक नियोजित किया गया है।
जर्मप्लाज्म (germplasm) के संरक्षण का एक तरीका, बीज बैंकों (seed banks) और विशेष रूप से क्लोनल रूप से प्रचारित फसलों (clonally propagated crops) के क्षेत्रीय संग्रह (field collections) का एक विकल्प, धीमी वृद्धि की स्थिति (कम तापमान पर और/या माध्यम में वृद्धि को धीमा करने वाले यौगिकों के साथ) के तहत इन विट्रो भंडारण (in vitro storage) या क्रायोप्रिजर्वेशन (cryopreservation) या सूखे सिंथेटिक बीज (desiccated synthetic seed) के रूप में है। प्रौद्योगिकियां सभी वृद्धि और चयापचय गतिविधि (metabolic activity) को कम करने या रोकने के लिए निर्देशित हैं। पौधों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए तकनीकें विकसित की गई हैं। सबसे गंभीर सीमाएं (limitations) सभी प्रजातियों और जीनोटाइप (genotypes) के लिए उपयुक्त एक सामान्य विधि की कमी, उच्च लागत और संग्रहीत सामग्री में सोमाक्लोनल भिन्नता और गैर-इरादतन कोशिका-प्रकार के चयन (non-intentional cell-type selection) की संभावना है (उदा. कम तापमान या गैर-इष्टतम स्थितियों पर कोशिका विभाजन (cell division) के कारण एन्यूप्लोइडी एक कोशिका प्रकार को एक चयनात्मक वृद्धि लाभ (selective growth advantage) देता है)।
पादप ऊतक-संवर्धन तकनीक फसल सुधार सहित बुनियादी और अनुप्रयुक्त अध्ययनों (applied studies) में तेजी से महत्वपूर्ण भूमिका निभा रही है। आधुनिक कृषि (agriculture) में, केवल लगभग 150 पौधों की प्रजातियों की बड़े पैमाने पर खेती की जाती है। इनमें से कई पारंपरिक तरीकों (traditional methods) से अपने सुधार की सीमा तक पहुंच रहे हैं। पुनः संयोजक DNA तकनीकों सहित अन्य विधियों के लिए एक केंद्रीय उपकरण या सहायक (adjunct) के रूप में ऊतक-संवर्धन तकनीक का अनुप्रयोग, कृषि, बागवानी (horticulture) और वानिकी (forestry) के लिए पादप संशोधन (plant modification) और सुधार में अग्रणी (vanguard) है।
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