पौधे की बीजाणुउद्भिद पीढ़ी (sporophytic generation) की शुरुआत युग्मनज (zygote) से होती है, जो कि प्रारंभिक कोशिका (युग्मक संलयन या gamete fusion का उत्पाद) है और जिसमें वयस्क (adult) पौधे के निर्माण के लिए सभी आनुवंशिक जानकारी (genetic information) मौजूद होती है। आवृतबीजी (angiosperms) में, युग्मनज अनुप्रस्थ (transversally) विभाजित होता है, जिसके परिणामस्वरूप दो कोशिकाएँ बनती हैं। उनमें से एक, शीर्षस्थ कोशिका (apical cell), छोटी और सघन (dense) होती है, जिसमें DNA संश्लेषण (DNA synthesis) की तीव्र गतिविधि होती है। इस कोशिका के आगे के क्रमिक विभाजनों (ordinal divisions) से भ्रूण का शीर्ष (embryo head) बनता है जो नया पौधा बनेगा। दूसरी परिणामी कोशिका (बेसल सेल या basal cell) बड़ी और अत्यधिक रिक्तिका युक्त (highly vacuolated) होती है जो निलंबक सम्मिश्र (suspensor complex) का निर्माण करती है, जो युवा भ्रूण (young embryo) के प्रारंभिक चरणों के दौरान महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इन विवो (In vivo) में उत्पन्न कायिक भ्रूण (somatic embryos) आमतौर पर उसी प्रतिरूप का पालन करते हैं; हालाँकि, वे युग्मनज से शुरू नहीं होते हैं, बल्कि एक कायिक कोशिका (somatic cell) से शुरू होते हैं जैसा कि बहुभ्रूणता (polyembryony) में होता है。
कायिक भ्रूण द्विध्रुवीय संरचनाएँ (bipolar structures) होते हैं जिनमें शीर्षस्थ (apical) और आधारीय (basal) दोनों मेरिस्टेमेटिक क्षेत्र (meristematic regions) होते हैं, जो क्रमशः प्ररोह (shoot) और जड़ (root) बनाने में सक्षम होते हैं। एक कायिक भ्रूण से प्राप्त पौधे को कभी-कभी "एम्बलिंग" (embling) कहा जाता है。
कायिक भ्रूण संरचनात्मक रूप से बीजों में पाए जाने वाले युग्मनज भ्रूण (zygotic embryos) के समान होते हैं और इनमें उनके कई उपयोगी गुण होते हैं, जिनमें पूर्ण पौधों में विकसित होने की क्षमता भी शामिल है। हालाँकि, कायिक भ्रूण इस मायने में भिन्न होते हैं कि वे युग्मनज (यानी, नर और मादा युग्मकों या gametes के संलयन उत्पाद) के बजाय कायिक कोशिकाओं (somatic cells) से विकसित होते हैं और इस प्रकार, संभावित रूप से एक ही जीनोटाइप (genotype) के डुप्लिकेट (duplicates) बनाने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं。
चूँकि प्राकृतिक बीज (natural seed) पर-परागण वाली प्रजातियों (cross-pollinating species) में एक लैंगिक प्रक्रिया (sexual process) के परिणामस्वरूप विकसित होता है, इसलिए यह आनुवंशिक रूप से किसी एक माता-पिता के समान नहीं होता है। इसके विपरीत, कायिक भ्रूण कायिक कोशिकाओं (गैर-लैंगिक या non-sexual) से विकसित होता है और इसमें लैंगिक पुनर्संयोजन (sexual recombination) शामिल नहीं होता है। कायिक भ्रूणों की यह विशेषता न केवल क्लोनल प्रवर्धन (clonal propagation) की अनुमति देती है, बल्कि कायिक कोशिकाओं में अलग किए गए जीन अनुक्रमों (isolated gene sequences) को सम्मिलित करके वांछनीय एलीट व्यक्तियों (desirable elite individuals) में विशिष्ट और निर्देशित परिवर्तनों (directed changes) को भी पेश करने की अनुमति देती है। यह पारंपरिक प्रजनन तकनीक (conventional breeding technology) में निहित आनुवंशिक पुनर्संयोजन और चयन (genetic recombination and selection) को दरकिनार करता है। यदि वास्तविक बीज के बराबर उत्पादन क्षमता और सुविधा प्राप्त कर ली जाती है, तो कायिक भ्रूण को संभावित रूप से एक क्लोनल प्रवर्धन प्रणाली (clonal propagation system) के रूप में उपयोग किया जा सकता है。
कायिक भ्रूणजनन को दो तंत्रों द्वारा शुरू किया जा सकता है: सीधे एक्सप्लांट किए गए ऊतकों (explanted tissues) पर, जहाँ पौधे आनुवंशिक रूप से समान होते हैं (क्लोनेशन या clonation), और अप्रत्यक्ष रूप से असंगठित ऊतकों (unorganized tissues या callus) से। अप्रत्यक्ष भ्रूणजनन द्वारा प्रवर्धन (Propagation) से ऐसे पौधे पैदा होने का जोखिम होता है जो आनुवंशिक रूप से एक-दूसरे से और मूल पौधे (parental plant) से भिन्न हो सकते हैं। ऐसा माना जाता है कि ऊतक संवर्धन (tissue cultures) के भीतर आनुवंशिक परिवर्तनशीलता (genetic variability) का होना आंशिक रूप से सेलुलर परिवर्तनों (cellular changes) से उत्पन्न हो सकता है जो संवर्धन (culture) के दौरान प्रेरित होते हैं। ऊतक और कोशिका संवर्धन (tissue and cell culture) से जुड़ी आनुवंशिक परिवर्तनशीलता को "सोमाक्लोनल विविधता" (somaclonal variation) नाम दिया गया है और यह एक अवसर का प्रतिनिधित्व करती है जहाँ एक क्लोन (clone) के अद्वितीय आनुवंशिक रूपों (unique genetic forms) को अलग करने के लिए चयन दबाव (selection pressure) लगाया जा सकता है। एकल कोशिकाओं (single cells) से पौधों को प्राप्त करने की क्षमता ने इन विट्रो (in vitro) में आनुवंशिक सुधार को संभव बना दिया है। कोशिका संवर्धन (cell cultures) को एक चयनात्मक एजेंट (selective agent) के संपर्क में लाकर असामान्य तापमान, शाकनाशियों (herbicides), कवक विषाक्त पदार्थों (fungal toxins), उच्च स्तर के नमक आदि के प्रति पौधे की सहिष्णुता (Plant tolerance) प्राप्त की जा सकती है。
पादप प्रजनन (plant breeding) में प्रयुक्त कोशिका- और ऊतक-संवर्धन उपकरणों (cell- and tissue-culture tools) के सबसे महत्वपूर्ण लाभ निम्नलिखित हैं:
पादप सुधार (plant improvement) में कायिक भ्रूणजनन का एक संभावित अनुप्रयोग (potential application) है। चूँकि भ्रूणजनित कोशिकाओं (embryogenic cells) की वृद्धि और कायिक भ्रूणों का बाद का विकास दोनों एक तरल माध्यम (liquid medium) में किए जा सकते हैं, इसलिए बड़े पैमाने पर यंत्रीकृत (mechanised) या स्वचालित संवर्धन प्रणालियों (automated culture systems) को बनाने के लिए इंजीनियरिंग प्रौद्योगिकी के साथ कायिक भ्रूणजनन को जोड़ना संभव है। ऐसी प्रणालियाँ कम श्रम इनपुट (low labour inputs) के साथ बार-बार प्रोपेग्यूल्स (propagules) (कायिक भ्रूण) पैदा करने में सक्षम हैं। दोहराए जाने वाले कायिक भ्रूणजनन (repetitive somatic embryogenesis) (जिसे सहायक या accessory, अपस्थानिक या adventive, या द्वितीयक कायिक भ्रूणजनन या secondary somatic embryogenesis भी कहा जाता है) की इस प्रक्रिया में, एक चक्र शुरू किया जाता है जिसके द्वारा क्लोन (clones) बनाने के लिए पहले से मौजूद कायिक भ्रूण से कायिक भ्रूण प्रचुर मात्रा में बढ़ते (proliferate) हैं。
युग्मनज भ्रूण की क्लोनिंग के दौरान ऑक्सिन-उत्तेजित (auxin-stimulated) कायिक भ्रूणजनन से गुजरने की उनकी क्षमता के लिए सोयाबीन जीनोटाइप की एक विस्तृत श्रृंखला का परीक्षण किया गया है (Barwale et al. 1986; Komatsuda and Ohyama 1988)। उन सभी को कायिक भ्रूण बनाने के लिए सूचित किया गया है, बशर्ते माध्यम (medium) में उपयुक्त पोषक तत्व (nutrients) प्रदान किए जाएं। पुनर्जनन क्षमता (regeneration capacity) प्रदान करने में जीनोटाइप (genotypes) की भूमिका का गेहूँ, चावल और मक्का के युग्मनज भ्रूण क्लोनिंग पर अध्ययन द्वारा और समर्थन किया जाता है। विभिन्न किस्मों (cultivars) के विश्लेषण से पता चला है कि इन फसलों की पुनर्जनन क्षमता सीधे गैर-योगात्मक (non-additive), योगात्मक (additive) और साइटोप्लास्मिक कारकों (cytoplasmic factors) से प्रभावित थी। हालाँकि, जिस जीनोटाइप में बार-बार कायिक भ्रूणजनन से गुजरने की क्षमता होती है, उसे एलीट लाइनों (elite lines) के साथ बैक-क्रॉस (back-crossed) किया जा सकता है ताकि बाद वाले को कायिक भ्रूणों के उच्च पुनर्जनन (high regeneration) की क्षमता के साथ परिवर्तित किया जा सके। इस प्रकार का परिवर्तन पादप प्रजनन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है क्योंकि इन विट्रो तकनीकों के माध्यम से उष्णकटिबंधीय फसलों (tropical crops) की 80 प्रजातियों में उच्च गुणवत्ता वाले कायिक भ्रूण का उत्पादन किया गया है。
प्री एम्ब्रियोजेनिक कोशिकाओं (pre embryogenic cells) से सीधे बनने वाले भ्रूण अपेक्षाकृत एकसमान क्लोनल सामग्री (uniform clonal material) का उत्पादन करते हैं, जबकि अप्रत्यक्ष मार्ग (indirect pathway) सोमाक्लोनल वेरिएंट की उच्च आवृत्ति (high frequency) उत्पन्न करता है। अपस्थानिक भ्रूणजनन (adventive embryogenesis) के दौरान उत्परिवर्तन (Mutation) एक उत्परिवर्ती भ्रूण (mutant embryo) को जन्म दे सकता है जो अंकुरण (germination) पर पौधे का एक नया स्ट्रेन (strain) बनाएगा। प्ररोह के सिरों (shoot tips) की तरह न्यूसेलर भ्रूण (Nucellar embryos), वायरस से मुक्त होते हैं और वायरस मुक्त क्लोन (virus-free clones) उगाने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं, विशेष रूप से कुछ पेड़ प्रजातियों (जैसे, पॉली एम्ब्रियोनेट सिट्रस या poly embryonate Citrus) से जहां प्ररोह सिरा संवर्धन (shoot tip culture) सफल नहीं रहा है। वृक्ष प्रजातियों के क्लोनल प्रवर्धन के लिए, न्यूसेलर कोशिकाओं (nucellar cells) से कायिक भ्रूणजनन मूल जीनोटाइप (parental genotype) वाले अंकुरों के बराबर किशोर पौधों (juvenile plants) को प्राप्त करने का एकमात्र तेज़ साधन प्रदान कर सकता है। 25 परिवारों का प्रतिनिधित्व करने वाले वुडी पेड़ों (woody trees) की 60 प्रजातियों में कायिक भ्रूणजनन के माध्यम से क्लोनल प्रवर्धन की सूचना मिली है। चयनित एलीट माता-पिता (selected elite parent) के जीनोटाइप वाले कायिक भ्रूण क्रायोप्रिजर्वेशन (cryopreservation) और जर्मप्लाज्म भंडारण (germplasm storage) के लिए संभावित रूप से सुविधाजनक अंग (convenient organs) हैं。
कायिक भ्रूणों के एनकैप्सुलेशन (encapsulation) के तरीकों का विकास ताकि उन्हें खेत की स्थितियों के तहत 'सिंथेटिक' (synthetic) या 'कृत्रिम' (artificial) बीज के रूप में बोया जा सके, महत्व प्राप्त कर रहा है। व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण फसलों के संबंध में कायिक भ्रूणजनन के माध्यम से कृत्रिम बीजों के उत्पादन पर अनुसंधान कार्यक्रम न केवल कृषि उत्पादन बढ़ाने में योगदान देंगे, बल्कि नियामक तंत्र (regulatory mechanisms) के हमारे बुनियादी ज्ञान को भी बढ़ाएंगे जो पौधे के विकास और भेदभाव (growth and differentiation) को नियंत्रित करते हैं。
विभिन्न प्रजातियों के लिए प्रोटोप्लास्ट अलगाव (protoplast isolation) के स्रोतों के रूप में भ्रूणजनित कैलस (Embryogenic callus), निलंबन संवर्धन (suspension cultures) और कायिक भ्रूणों को नियोजित किया गया है। इन प्रणालियों (systems) में कोशिकाओं या ऊतकों ने संवर्धन में पुनर्जीवित (regenerate) होने की क्षमता प्रदर्शित की है और इसलिए, ऐसे प्रोटोप्लास्ट (protoplasts) प्राप्त होते हैं जो पूरे पौधे बनाने में सक्षम होते हैं। भ्रूणजनित संवर्धन (Embryogenic cultures) विशेष रूप से ग्रैमिनेसियस (graminaceous), शंकुधारी (coniferous) और खट्टे प्रजातियों (citrus species) में पुनर्योजी प्रोटोप्लास्ट (regenerable protoplasts) का एक स्रोत प्रदान करने में मूल्यवान हैं। ग्रैमिनी (Gramineae) के मेसोफिल-व्युत्पन्न प्रोटोप्लास्ट (mesophyll-derived protoplasts) में कैलस के पुनर्जनन (regeneration) या यहां तक कि निरंतर विभाजन (sustained divisions) को प्राप्त करने के प्रयास तब तक असफल साबित हुए जब तक वासिल और वासिल (1980) प्रोटोप्लास्ट के स्रोत के रूप में बाजरा (pearl millet) (Pennisetum purpureum) के अपरिपक्व भ्रूणों (immature embryos) से प्राप्त भ्रूणजनित संवर्धन की ओर नहीं मुड़े। इन संवर्धनों से प्राप्त प्रोटोप्लास्ट को एक कोशिका द्रव्यमान (cell mass) बनाने के लिए विभाजित करने के लिए प्रेरित किया गया था, जिससे एक उपयुक्त पोषक माध्यम (nutrient medium) पर एम्ब्रियोइड्स (embryoids), और यहां तक कि छोटे पौधे (plantlets), पुनर्जीवित हुए। इसके बाद अन्य श्रमिकों द्वारा Panicum maximum, Pennisetum purpureum, Oryza sativa, Saccharum officinarum, Lolium perenne, Festuca arundinaceae और Dactylis glomerata के भ्रूणजनित निलंबन (embryogenic suspension) के साथ इसी तरह की सफलता दर्ज की गई。
अनाज (cereals) के बीच, ग्रैमिनी में, मक्का (maize) के लिए प्रोटोप्लास्ट पुनर्जनन प्रणाली (protoplast regeneration system) का विकास विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण रहा है। रोड्स एट अल. (1988) भ्रूणजनित संवर्धन से प्रोटोप्लास्ट व्युत्पन्न मक्का के पौधे (protoplast derived maize plantlets) उगाने वाले पहले व्यक्ति थे, जो हालांकि बांझ (sterile) साबित हुए। बाद में, शिलिटो एट अल. (1989) ने एक एलीट इनब्रेड मक्का लाइन (elite inbred maize line) बी73 के अपरिपक्व युग्मनज भ्रूणों (immature zygotic embryos) से भ्रूणजनित कैलस संवर्धन (embryogenic callus cultures) शुरू किया, जिससे प्रोटोप्लास्ट प्राप्त हुए जो उपजाऊ पौधे (fertile plants) बनाने के लिए पुनर्जीवित हुए। बीज-व्युत्पन्न पौधे (seed-derived plant) के पराग (pollen) के साथ पार करने (crossing) पर प्रोटोप्लास्ट-व्युत्पन्न पौधे ने जीवनक्षम बीज (viable seeds) पैदा किए जो सामान्य रूप से अंकुरित (germinated) हुए। इसी तरह की तकनीकों का उपयोग करते हुए, प्रियोली और सोंडाहल ने उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों (tropical regions) के अनुकूल एक लाइन (कैट 100-1) के भ्रूणजनित कोशिका निलंबन प्रोटोप्लास्ट (embryogenic cell suspension protoplasts) से उपजाऊ मक्का के पौधे (fertile maize plants) प्राप्त किए。
भ्रूणजनित खट्टे निलंबन संवर्धन (Embryogenic citrus suspension cultures) भी ऐसे प्रोटोप्लास्ट प्रदान करते हैं जिनका उपयोग अंतर-विशिष्ट (interspecific) और अंतर-जेनेरिक कायिक संकर पौधों (intergeneric somatic hybrid plants) के उत्पादन में किया जा सकता है। इस पौधे के न्यूसेलस-कैलस संवर्धन (nucellus-callus culture) से अलग किए गए प्रोटोप्लास्ट से भी समान सफलता प्राप्त की जा सकती है। भ्रूणजनित संवर्धन से प्रोटोप्लास्ट को अलग करने की क्षमता का वन वृक्षों (forest trees) के इन विट्रो संवर्धन (in vitro culture) पर बड़ा प्रभाव पड़ा है, उदाहरण के लिए, Pinus taeda, Picea glauca, P. mariana, Pseudotsuga menziesii, Abies alba, Santalum album और Liriodendron tulipfera। प्रोटोप्लास्ट-व्युत्पन्न कैली (protoplast-derived calli) पर प्रेरित कायिक भ्रूण भी छोटे पौधे बनाने के लिए अंकुरित होते हैं जो अंततः मिट्टी में स्थापित (establish) हो जाते हैं。
बीज भ्रूणजनन (seed embryogenesis) में, युग्मनज भ्रूण न्यूसेलर ऊतक (nucellar tissue) के अंदर गहरे बैठे होते हैं। वे आनुवंशिक रूप से विषम (genetically heterogeneous) होने के अलावा एक संरक्षित वातावरण (protected environment) में रहते हैं। इसके विपरीत, कायिक भ्रूण लगभग असुरक्षित रहते हैं और कमोबेश आनुवंशिक रूप से एकसमान पौधों (genetically uniform plants) को जन्म देते हैं। लीफ-डिस्क ट्रांसफॉर्मेशन सिस्टम (leaf-disc transformation systems) के आगमन ने उन प्रजातियों (Nicotiana tabacum, Medicago sativa) को सफलतापूर्वक इंजीनियर करना संभव बना दिया है, जिनमें ऊतक कायिक भ्रूणजनन के माध्यम से पुनर्जनन में सक्षम हैं。
इन प्रजातियों में, पृथक एकल कोशिकाओं (isolated single cells) को संवर्धन में परिवर्तित किया जा सकता है और चयन माध्यम (selection medium) (एक एंटीबायोटिक, केनामाइसिन युक्त पोषक माध्यम) पर कैलस कॉलोनियों (callus colonies) में उगाया जा सकता है जो अंततः इस माध्यम से ऑक्सिन (auxin) को हटाने पर कायिक भ्रूण बनाते हैं (Chabaud et al., 1988)। चूँकि इस प्रकार के अप्रत्यक्ष कायिक भ्रूणजनन (indirect somatic embryogenesis) में कैलस चरण (callus phase) आवश्यक प्रतीत होता है, इसलिए परिवर्तित (transformed) और गैर-परिवर्तित ऊतकों (non-transformed tissues) से उत्पन्न होने वाले चिमेरिक भ्रूणों (chimeric embryos) की संभावना से इंकार नहीं किया जा सकता है। इसलिए, बार-बार होने वाले कायिक भ्रूणजनन की प्रक्रिया के माध्यम से कैलस चरण को दरकिनार किया जा सकता है। मैकग्रानाहन एट अल. (1990) ने एग्रोबैक्टीरियम-परिवर्तित (Agrobacterium-transformed) अखरोट (Juglans regia L.) कोशिकाओं के लिए दोहराए जाने वाले भ्रूणजनन (repetitive embryogenesis) का उपयोग किया और कैलस चरण को नियोजित किए बिना कायिक भ्रूणों की कई फसलें प्राप्त कीं。
यह दिखाने के लिए भी सबूत हैं कि दोहराए जाने वाले भ्रूण (repetitive embryos) एकल एपिडर्मल (single epidermal) या सबएपिडर्मल कोशिकाओं (subepidermal cells) से उत्पन्न होते हैं जिन्हें आसानी से एग्रोबैक्टीरियम (Agrobacterium) के संपर्क में लाया जा सकता है। इस प्रकार, युग्मनज भ्रूण (zygotic embryo) के बजाय प्राथमिक कायिक भ्रूण (primary somatic embryo) पर लागू परिवर्तन तकनीक (transformation technique) को पूरी तरह से ट्रांसजेनिक कायिक भ्रूण (transgenic somatic embryos) को जन्म देना चाहिए। दोहराव वाला भ्रूणजनन कण बंदूक-मध्यस्थता आनुवंशिक परिवर्तन (particle gun-mediated genetic transformation) के लिए भी आदर्श रूप से अनुकूल है। पादप कोशिकाओं (plant cells) में जीन के स्थानांतरण में मध्यस्थता (mediate) करने के लिए एग्रोबैक्टीरियम पर निर्भर रहने के बजाय, कण बंदूक (particle gun) सचमुच DNA (DNA) को शूट करती है जिसे भारी धातु (heavy metal) के कणों पर पादप कोशिकाओं में अवक्षेपित (precipitated) किया गया है। कपास (cotton) और सोयाबीन (soybean) के भ्रूणजनित निलंबन संवर्धन (Embryogenic suspension cultures), जो अपरिपक्व भ्रूणों से शुरू हुए, ने बंदूक की प्रत्येक फायरिंग के बाद औसतन 30 स्थिर रूप से परिवर्तित सेल लाइनों (stably transformed cell lines) का उत्पादन किया। परिवर्तित सेल लाइनों को तब बार-बार होने वाले भ्रूणजनन के माध्यम से असीमित संख्या में परिवर्तित कायिक भ्रूण (transformed somatic embryos) बनाने के लिए प्रेरित किया जा सकता है。
दोहरावदार भ्रूणजनन प्रणाली (repetitive embryogenesis system) का फार्मास्यूटिकल्स (pharmaceuticals) और तेलों (oils) जैसे चयापचयों (metabolites) के संश्लेषण (synthesis) में संभावित उपयोग है। बोरेज (Borage) (Borage officinalis L.) के बीजों में गामा-लिनोलेनिक एसिड (y-linolenic acid) का उच्च स्तर होता है, जिसका उपयोग एटोपिक एक्जिमा (atopic eczema) के उपचार में किया जाता है। बोरेज के कायिक भ्रूण भी इस मेटाबोलाइट (metabolite) का उत्पादन करते हैं लेकिन बार-बार कायिक भ्रूणजनन के माध्यम से गामा-लिनोलेनिक एसिड की निरंतर आपूर्ति सुनिश्चित की जाती है, जो अन्यथा युग्मनज भ्रूण में बढ़ते मौसम तक सीमित होती। यही सिद्धांत जोजोबा (jojoba) (Simmondsia chinensis) से औद्योगिक स्नेहक (industrial lubricants) और कोको (Cacao) (Theobroma cacao) से लियो-पामिटोस्टेरिन (leo-palmitostearin) (कोकोआ मक्खन या cocoa butter में प्रमुख घटक) के इन विट्रो उत्पादन के लिए लागू किया जा सकता है。
पौधों का इन विवो क्लोनल प्रवर्धन अक्सर कठिन, महंगा और यहां तक कि असफल होता है। ऊतक संवर्धन के तरीके (Tissue culture methods) पौधों के वनस्पति प्रवर्धन (plant vegetative propagation) का एक वैकल्पिक साधन प्रदान करते हैं। ऊतक संवर्धन के माध्यम से क्लोनल प्रवर्धन (जिसे लोकप्रिय रूप से सूक्ष्म प्रवर्धन या micropropagation कहा जाता है) को कम समय और स्थान में प्राप्त किया जा सकता है। यह कायिक भ्रूणजनन के माध्यम से संभव है जिसके द्वारा भ्रूण का तेजी से निर्माण होता है जिससे प्ररोह (shoots) का गुणन (multiplication) होता है。
सूक्ष्म प्रवर्धन तकनीकों (micropropagation techniques) का विकास वांछित पादप प्रजातियों की प्रचुर आपूर्ति सुनिश्चित करेगा। कुछ फसल प्रजातियों में बीज प्रवर्धन (seed propagation) सफल नहीं रहा है। यह मुख्य रूप से बीज की हेटेरोजायगसिटी (heterozygosity), बीज के छोटे आकार (minute seed size), कम भ्रूणपोष (reduced endosperm) की उपस्थिति और अंकुरण के लिए माइकोरिज़ल कवक (mycorrhizal fungi) संघ वाले बीज की आवश्यकता (जैसे आर्किड या orchids), और अंगूर (grapes), तरबूज (watermelon) आदि जैसे फसली पौधों की कुछ बीज रहित किस्मों (seedless varieties) में भी है। इनमें से कुछ प्रजातियों को वनस्पति साधनों (vegetative means) द्वारा प्रवर्धित किया जा सकता है। हालाँकि, इन विवो वानस्पतिक प्रवर्धन तकनीकें समय लेने वाली और महंगी हैं। कृत्रिम बीज उत्पादन तकनीक (artificial seed production technology) के विकास को वर्तमान में कई व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण कृषि संबंधी (agronomic) और बागवानी (horticultural) फसलों में प्रवर्धन का एक प्रभावी और कुशल वैकल्पिक तरीका माना जाता है। इसे उच्च व्यावसायिक मूल्य (high commercial value) वाले एलीट पादप प्रजातियों के बड़े पैमाने पर प्रवर्धन (mass propagation) के लिए एक शक्तिशाली उपकरण (powerful tool) के रूप में सुझाया गया है। क्लोनल प्रवर्धन प्रणालियों (clonal propagation systems) की विशेषताओं पर बॉक्स 1 में चर्चा की गई है。
कृत्रिम बीज तकनीक (Artificial seed technology) में एक सुरक्षात्मक आवरण (protective coating) में घिरे ऊतक संवर्धन से प्राप्त कायिक भ्रूणों (tissue culture derived somatic embryos) का उत्पादन शामिल है। कृत्रिम बीजों (Artificial seeds) को अक्सर सिंथेटिक बीज (synthetic seeds) भी कहा जाता है। हालाँकि, सिंथेटिक बीज शब्द को सिंथेटिक कल्टीवेर (synthetic cultivar) के वाणिज्यिक बीजों के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए जिसे खुले परागित आबादी (open pollinated population) की एक उन्नत पीढ़ी (advanced generation) के रूप में परिभाषित किया गया है जो चयनित इनब्रेड क्लोन (selected inbred clones) या संकर (hybrids) के समूह से बना है। कृत्रिम या सिंथेटिक बीज की अवधारणा चित्र में दिखाई गई है。
ये सिंथेटिक बीज जैव प्रौद्योगिकी प्रगति (biotechnological advances) के माध्यम से उत्पादित नई पादप लाइनों (new plant lines) के लिए सीधे ग्रीनहाउस या खेत में पहुँचाए जाने का एक माध्यम (channel) भी होंगे। प्रवर्धन के लिए कायिक भ्रूणों की तुलना में कृत्रिम / सिंथेटिक बीजों के लाभ बॉक्स 2 में सूचीबद्ध हैं। यह सिंथेटिक बीज उत्पादन तकनीक एक उच्च मात्रा (high volume), कम लागत (low-cost) वाली उत्पादन तकनीक है। कम लागत वाले वितरण (low-cost delivery) के लिए सिंथेटिक बीजों के निर्माण के साथ कायिक भ्रूणों की उच्च मात्रा में प्रवर्धन क्षमता (High volume propagation potential) कई व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण फसल प्रजातियों में क्लोनल प्रवर्धन के लिए नए रास्ते खोलेगी。
हाल ही में, कुछ प्रजातियों में कायिक भ्रूणों को एनकैप्सुलेट (encapsulating) करके सिंथेटिक बीजों के उत्पादन की सूचना मिली है। सूक्ष्म प्रवर्धन (micropropagation) में सिंथेटिक बीज प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग के लिए एक शर्त उच्च गुणवत्ता वाले, जोरदार कायिक भ्रूण (vigorous somatic embryos) का उत्पादन है जो प्राकृतिक बीजों के बराबर आवृत्तियों (frequencies) के साथ पौधे पैदा कर सकते हैं। ऐसे भ्रूणों को प्राप्त करने में असमर्थता अक्सर सिंथेटिक बीजों के विकास में एक प्रमुख सीमा (major limitation) होती है。
सिंथेटिक बीज तकनीक (Synthetic seed technology) के लिए समकालिक परिपक्वता (synchronous maturation) के साथ बड़ी संख्या में उच्च गुणवत्ता वाले कायिक भ्रूणों के सस्ते उत्पादन की आवश्यकता होती है। उच्च रूपांतरण आवृत्तियों (high conversion frequencies) को प्राप्त करने के लिए कायिक भ्रूणों की समग्र गुणवत्ता महत्वपूर्ण है। एनकैप्सुलेशन और कोटिंग सिस्टम (Encapsulation and coating systems), हालांकि कायिक भ्रूणों के वितरण (delivery) के लिए महत्वपूर्ण हैं, सिंथेटिक बीजों के विकास के लिए सीमित कारक (limiting factors) नहीं हैं。
वर्तमान में, भ्रूणजनित प्रणालियों (embryogenic systems) में विकासात्मक समकालिता (developmental synchrony) की विशिष्ट कमी परिपक्वता (maturation) के माध्यम से कायिक भ्रूणों का मार्गदर्शन करने के लिए बहु-चरणीय प्रक्रियाओं (multi-step procedures) को रोकती है। सिंथेटिक बीजों के व्यापक व्यावसायीकरण (widespread commercialization) की दिशा में प्रगति होने से पहले कायिक भ्रूणों की समकालिता (synchrony) की कमी, यकीनन, दूर की जाने वाली सबसे महत्वपूर्ण बाधा (most important hurdle) है। सिंथेटिक बीजों के कुशल उत्पादन के लिए समकालिक एम्ब्रियोइड विकास (Synchronized embryoid development) की आवश्यकता है。
दो प्रकार के कृत्रिम बीज विकसित किए गए हैं, अर्थात् हाइड्रेटेड (hydrated) और शुष्क (desiccated)। रेडेनबर्ग एट अल. (1986) ने अल्फाल्फा (alfalfa), अजवाइन (celery) और फूलगोभी (cauliflower) के कायिक भ्रूणों को सोडियम एल्गिनेट (sodium alginate) के साथ मिलाकर हाइड्रेटेड कृत्रिम बीज (hydrated artificial seeds) विकसित किए, जिसके बाद कैल्शियम-एल्गिनेट मोतियों (calcium-alginate beads) को बनाने के लिए कैल्शियम क्लोराइड (calcium chloride) के घोल में गिराया गया। कैल्शियम एल्गिनेट बनने पर मोतियां सख्त हो जाती हैं। लगभग 20-30 मिनट के बाद कृत्रिम बीजों को निकाल लिया जाता है, पानी से धोया जाता है और रोपण के लिए उपयोग किया जाता है। हाइड्रेटेड कृत्रिम बीज चिपचिपे (sticky) होते हैं और बड़े पैमाने पर संभालना मुश्किल होता है, खुली हवा में तेजी से सूख जाते हैं। मोतियों के ऊपर एक मोमी लेप (waxy coating) प्रदान करके इन समस्याओं को हल किया जा सकता है। हालाँकि, कम तापमान और सीमित अवधि को छोड़कर, हाइड्रेटेड कृत्रिम बीजों को संग्रहीत करना संभव नहीं है और उनके उत्पादन के तुरंत बाद उन्हें लगाना पड़ता है। SE के बड़े पैमाने पर एनकैप्सुलेशन के लिए सटीक मशीनें (Precision machines) तैयार की गई हैं。
किम और जेनिक ने शुष्क कृत्रिम बीज (desiccated artificial seeds) विकसित करने के लिए गाजर के कायिक भ्रूणों (carrot somatic embryos) के गुच्छों पर सिंथेटिक बीज कोट (synthetic seed coats) लगाए। उन्होंने भ्रूण निलंबन (embryo suspension) और 5% पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड (polyethylene oxide) (पॉलीओक्स WSR N-750), जो कि पानी में घुलनशील राल (water-soluble resin) है, के घोल की समान मात्रा को मिलाया, जो बाद में पॉलीएम्ब्रियोनिक शुष्क वेफर्स (polyembryonic desiccated wafers) बनाने के लिए सूख गया। एनकैप्सुलेटेड भ्रूण (encapsulated embryos) के जीवित रहने (survival) को 12% सुक्रोज (sucrose) या \(10^{-6}\)M ABA के साथ भ्रूण सख्त करने के उपचार (embryo hardening treatments) द्वारा और प्राप्त किया गया, जिसके बाद उच्च इनोक्यूलम घनत्व (high inoculum density) पर ठंडा किया गया。
ट्रांसजेनिक पौधे (transgenic plants) प्राप्त करने के लिए कायिक भ्रूणों के लिए एक अन्य वितरण प्रणाली द्रव-ड्रिलिंग (Fluid- drilling) है। भ्रूण एक चिपचिपे-वाहक जेल (viscous-carrier gel) में निलंबित (suspended) होते हैं जो मिट्टी में बाहर निकलता है। द्रव-ड्रिलिंग (fluid-drilling) में प्राथमिक समस्या यह है कि रूपांतरण (conversion) की अनुमति देने के लिए आवश्यक सुक्रोज स्तर (sucrose level) एक गैर-एसेप्टिक प्रणाली (non-aseptic system) में दूषित करने वाले सूक्ष्मजीवों (contaminating micro-organisms) के तेजी से विकास को भी बढ़ावा देता है। ग्रे (1987) ने पाया कि ऑर्चर्ड घास (orchard grass) (Dactylis glomerata) के कायिक भ्रूण 23 डिग्री सेल्सियस पर 70% सापेक्ष आर्द्रता (relative humidity) पर खाली प्लास्टिक पेट्री डिश में सुखाने पर शांत (quiescent) हो गए, जिसके कारण 13% पानी का नुकसान हुआ। हालाँकि, 21 दिनों के भंडारण के बाद, शुष्क भ्रूण (desiccated embryos) जब इन विट्रो में पुनर्जलयोजित (rehydrated) हुए तो वे जीवनक्षम पौधे (viable plantlets) पैदा करने के लिए अंकुरित हुए, हालांकि संख्या में सीमित (4%) थे। सेनारत्न एट अल ने शुष्कीकरण (desiccation) के प्रति अपनी सहिष्णुता (Tolerance) को बढ़ाने के लिए टॉरपीडो (torpedo) से बीजपत्र (cotyledonary) चरणों में ABA के साथ अल्फाल्फा कायिक भ्रूणों का इलाज किया। ऐसे शुष्क भ्रूणों में से 60% से अधिक नम फिल्टर पेपर पर रखे जाने पर या सीधे बाँझ मिट्टी (sterile soil) में बोए जाने पर अंकुरित हुए और छोटे पौधे बनाए। हीट-शॉक ट्रीटमेंट (Heat-shock treatments) ने भी ABA उपचार द्वारा प्रदान की गई तुलना में निर्जलीकरण सहिष्णुता (desiccation tolerance) की एक डिग्री को प्रेरित किया और पौधों के बाद के विकास पर कोई हानिकारक प्रभाव (detrimental effect) नहीं पड़ा。
सामान्य तौर पर, जैल (gels) में खेत में SE (somatic embryo) के अंकुरण और अंकुर स्थापना (seedling establishment) के लिए आवश्यक अकार्बनिक पोषक तत्व (inorganic nutrients), एक कार्बन स्रोत, कवकनाशी (fungicides), जीवाणुनाशक (bactericides) और अन्य विकास को बढ़ावा देने वाले पदार्थ होते हैं। जब प्ररोह कलियों (shoot buds) को एनकैप्सुलेट (encapsulate) किया जाता है, तो जड़ और प्ररोह के विकास के लिए आवश्यक वृद्धि नियामकों (growth regulators) को भी शामिल किया जाता है। खेत/ग्रीनहाउस परिस्थितियों में उच्च आवृत्ति में अंकुरित होने में सक्षम होने के लिए SE अच्छी गुणवत्ता का होना चाहिए। इस संबंध में अल्फाल्फा सबसे अधिक जांच की गई पादप प्रजाति है。
कृत्रिम बीज उत्पादन के लिए कई जैल जैसे अगर (agar), एल्गिनेट (alginate), पॉलीको 2133 (polyco 2133) (बोर्डन कंपनी), कार्बोक्सी मिथाइल सेलूलोज़ (carboxy methyl cellulose), कैरेजेनन (carrageenan), जेलराइट (gelrite) (केल्को कंपनी), ग्वारगम (guargum), सोडियम पेक्टेट (sodium pectate), ट्रैगकैंथ गम (tragacanth gum), आदि का परीक्षण किया गया, जिनमें से एल्गिनेट एनकैप्सुलेशन (alginate encapsulation) को सिंथेटिक बीज उत्पादन के लिए अधिक उपयुक्त और व्यावहारिक पाया गया। एल्गिनेट हाइड्रोजेल (Alginate hydrogel) को अक्सर सिंथेटिक बीज के लिए एक मैट्रिक्स (matrix) के रूप में चुना जाता है क्योंकि इसके समाधान की मध्यम चिपचिपाहट (moderate viscosity) और कम स्पिन क्षमता (low spin ability), कायिक भ्रूणों के लिए कम विषाक्तता (low toxicity) और त्वरित जेलेशन (quick gelation), कम लागत और जैव-संगतता विशेषताओं (bio-compatibility characteristics) के कारण। जेल मैट्रिक्स (gel matrix) के रूप में अगर के उपयोग से जानबूझकर बचा गया क्योंकि इसे दीर्घकालिक भंडारण (long term storage) के संबंध में एल्गिनेट से नीचा (inferior) माना जाता है। एल्गिनेट को इसलिए चुना गया क्योंकि यह कैप्सूल निर्माण को बढ़ाता है और साथ ही एल्गिनेट मोतियों (alginate beads) की कठोरता (rigidity) यांत्रिक चोट (mechanical injury) के खिलाफ घिरे कायिक भ्रूणों को बेहतर सुरक्षा (अगर की तुलना में) प्रदान करती है। आर्किड (orchids) के एल्गिनेट एनकैप्सुलेटेड कायिक भ्रूण (Alginate encapsulated somatic embryos) चित्र 1 में दिखाए गए हैं और आर्किड के कृत्रिम या सिंथेटिक बीजों से प्राप्त छोटे पौधे चित्र 2 में दिखाए गए हैं。
चित्र 1 (बाएं)। एल्गिनेट एनकैप्सुलेशन द्वारा ऑर्किड में उत्पादित कृत्रिम या सिंथेटिक बीज (Artificial or synthetic seed)।
चित्र 2 (दाएं)। आर्किड (orchid) में कृत्रिम या सिंथेटिक बीज व्युत्पन्न छोटे पौधे।
एल्गिनेट एक सीधी श्रृंखला (straight chain), हाइड्रोफिलिक (hydrophilic), कोलाइडल पॉलीयुरोनिक एसिड (colloidal polyuronic acid) है जो मुख्य रूप से 1-4 लिंकेज (linkages) के साथ हाइड्रो-β-D-मन्नूरोनिक एसिड अवशेषों (hydro-β-D-mannuronic acid residues) से बना है। एल्गिनेट एनकैप्सुलेशन प्रक्रिया (alginate encapsulation process) में शामिल प्रमुख सिद्धांत यह है कि कायिक भ्रूणों वाले सोडियम एल्गिनेट की बूंदें जब \(CaCl_2 \cdot 2H_2O\) घोल में गिराई जाती हैं तो सोडियम एल्गिनेट में \(Na^+\) और \(CaCl_2 \cdot 2H_2O\) घोल में \(Ca^{2+}\) के बीच आयन विनिमय (ion exchange) के कारण गोल और दृढ़ मोती (round and firm beads) बनते हैं। कैप्सूल की कठोरता (hardness or rigidity) मुख्य रूप से कैल्शियम आयनों (calcium ions) के साथ आदान-प्रदान किए गए सोडियम आयनों (sodium ions) की संख्या पर निर्भर करती है। इसलिए, दो जेलिंग एजेंटों यानी सोडियम एल्गिनेट और \(CaCl_2 \cdot 2H_2O\) की सांद्रता (concentration) और जटिल समय (complexing time) को इष्टतम मनका कठोरता और कठोरता (optimum bead hardness and rigidity) वाले कैप्सूल के निर्माण के लिए अनुकूलित (optimized) किया जाना चाहिए। सामान्य तौर पर, आधे घंटे के लिए 75 mM \(CaCl_2 \cdot 2H_2O\) के साथ जटिलता (complexation) पर 3% सोडियम एल्गिनेट जीवनक्षम सिंथेटिक बीजों (viable synthetic seeds) के उत्पादन के लिए इष्टतम मनका कठोरता और कठोरता देता है。
कायिक भ्रूणों में बीज कोट (testa) और भ्रूणपोष (endosperm) की कमी होती है जो विकासशील बीजों में युग्मनज भ्रूणों के लिए सुरक्षा और पोषण (protection and nutrition) प्रदान करते हैं। इन कमियों (deficiencies) को बढ़ाने के लिए, एनकैप्सुलेशन मैट्रिक्स (encapsulation matrix) में पोषक तत्वों और वृद्धि नियामकों (nutrients and growth regulators) को शामिल करना वांछित है, जो एक कृत्रिम भ्रूणपोष के रूप में कार्य करता है। एनकैप्सुलेशन मैट्रिक्स में पोषक तत्वों और वृद्धि नियामकों के जुड़ने से एनकैप्सुलेटेड कायिक भ्रूणों (encapsulated somatic embryos) के अंकुरण और जीवनक्षमता (germination and viability) की दक्षता (efficiency) में वृद्धि होती है। इन सिंथेटिक बीजों को 6 महीने तक व्यवहार्यता (viability) खोए बिना लंबे समय तक संग्रहीत किया जा सकता है, खासकर जब 4 डिग्री सेल्सियस पर संग्रहीत किया जाता है。
भ्रूण को शुष्कन और यांत्रिक चोट से रोकने के अलावा, कई उपयोगी सामग्री जैसे पोषक तत्व, कवकनाशी, कीटनाशक (pesticides), एंटीबायोटिक्स (antibiotics) और सूक्ष्मजीव (microorganisms) (जैसे राइजोबिया या rhizobia) को एनकैप्सुलेशन मैट्रिक्स में शामिल किया जा सकता है। सक्रिय चारकोल (activated charcoal) को शामिल करने से एनकैप्सुलेटेड कायिक भ्रूणों के रूपांतरण और शक्ति (vigour) में सुधार होता है। यह सुझाव दिया गया है कि चारकोल एल्गिनेट को तोड़ देता है और इस प्रकार कायिक भ्रूणों के श्वसन (respiration) को बढ़ाता है (जो अन्यथा भंडारण की एक छोटी अवधि के भीतर शक्ति खो देते हैं)। इसके अलावा, चारकोल हाइड्रोजेल कैप्सूल (hydrogel capsule) के भीतर पोषक तत्वों को बरकरार रखता है और उन्हें बढ़ते भ्रूण (growing embryo) में धीरे-धीरे छोड़ता है。
कृत्रिम बीजों का उपयोग विशिष्ट उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है, विशेष रूप से गैर-बीज उत्पादक पौधों (non-seed producing plants) के गुणन, सजावटी संकरों (ornamental hybrids) (वर्तमान में कलमों या cuttings द्वारा प्रवर्धित) या विशिष्ट लक्षणों (elite traits) वाले बहुगुणित पौधों (polyploid plants) के प्रवर्धन के लिए। कृत्रिम बीज प्रणाली (artificial seed system) को संकर बीज उत्पादन (hybrid seed production) के लिए नर या मादा बांझ पौधों (male or female sterile plants) के प्रवर्धन में भी नियोजित किया जा सकता है। क्रायो-संरक्षित (Cryo-preserved) कृत्रिम बीजों का उपयोग जर्मप्लाज्म संरक्षण (germplasm preservation) के लिए भी किया जा सकता है, विशेष रूप से पुनर्जनन अक्षम प्रजातियों (recalcitrant species) (जैसे आम, कोको और नारियल) में, क्योंकि ये बीज शुष्कन से नहीं गुजरेंगे। इसके अलावा, ट्रांसजेनिक पौधे, जिन्हें मूल जीनोटाइप (original genotypes) बनाए रखने के लिए अलग विकास सुविधाओं की आवश्यकता होती है, उन्हें कायिक भ्रूणों का उपयोग करके भी संरक्षित किया जा सकता है。
कायिक भ्रूणजनन पौधों की आनुवंशिक इंजीनियरिंग (genetic engineering) में एक संभावित उपकरण (potential tool) है। संभावित रूप से, एक एकल जीन (single gene) को एक कायिक कोशिका में डाला जा सकता है। एक एकल ट्रांसजेनिक कोशिका (single transgenic cell) से कायिक भ्रूणों द्वारा पुनर्जीवित (regenerated) पौधों में, संतति (progeny) काइमेरिक (chimeric) नहीं होगी। कायिक भ्रूणों के माध्यम से पादप प्रजनन कार्यक्रमों (plant breeding programs) में चयनित एलीट पौधों (elite plants) का गुणन आनुवंशिक पुनर्संयोजन (genetic recombination) से बचाता है, और इसलिए पारंपरिक पादप प्रजनन (conventional plant breeding) में निहित निरंतर चयन (continued selection) की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे काफी समय और अन्य संसाधनों की बचत होती है। ऊतक संवर्धन (tissue culture) में उत्पादित कृत्रिम बीज रोगजनकों (pathogens) से मुक्त होते हैं। इस प्रकार, एक और लाभ पौधों के थोक परिवहन (bulk transportation), संगरोध (quarantine) और बीमारियों के प्रसार से बचते हुए अंतरराष्ट्रीय सीमाओं के पार रोगज़नक़ मुक्त प्रोपेग्यूल्स (pathogen free propagules) का परिवहन (transport) है。
उपयोगी होने के लिए, सिंथेटिक बीज (synthetic seed) को या तो उत्पादन लागत कम करनी चाहिए या फसल का मूल्य (crop value) बढ़ाना चाहिए। प्राप्त सापेक्ष लाभ (relative benefits), जब विकास लागतों के विरुद्ध तौला जाता है, तो यह निर्धारित करेगा कि किसी दी गई फसल प्रजाति (crop species) के लिए इसका उपयोग उचित है या नहीं। मौजूदा भ्रूणजनित प्रणालियों में सुधार, बीज की सापेक्ष लागत के साथ-साथ सिंथेटिक बीज के लिए विशिष्ट अनुप्रयोग (specific application) सहित कारकों के संयोजन (combination of factors) पर विचार करते हुए, किसी दी गई फसल के लिए सापेक्ष आवश्यकता के निर्णय की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, बीज रहित तरबूज (seedless watermelon) के सिंथेटिक बीज की लागत वास्तव में पारंपरिक बीज (conventional seed) से कम होगी, जिससे फसल उत्पादन की शुरुआत में लाभ होगा। यद्यपि इस फसल के लिए भ्रूणजनित प्रणालियाँ मौजूद नहीं हैं, फिर भी सिंथेटिक बीज के उपयोग से मिलने वाला लाभ बहुत बड़ा होगा। मूल्य वर्धित पहलू (Value added aspects) जो फसल के मूल्य (crop worth) को बढ़ाएंगे, कई हैं और इसमें एलीट जीनोटाइप (elite genotypes) की क्लोनिंग (cloning) शामिल है, जैसे आनुवंशिक रूप से इंजीनियर किस्में (genetically engineered varieties), जो सच्चे बीज (true seed) का उत्पादन नहीं कर सकती हैं。
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