Applications of thermal analysis in cryopreservation of plant cells and organs

Abstract

If plant cells and organs are to survive exposure to liquid nitrogen, intracellular crystallization must be avoided. This implies preliminary dehydration of the cells before quenching in liquid nitrogen. Three main procedures have been successively proposed to ensure cryopreservation of cells and organs. In conventional procedures, dehydration of the cells results from extracellular freezing of the cryoprotective medium during the first step of cooling to −40°C. In dehydration procedures, the loss of water is generally achieved after encapsulation of shoottips and somatic embryos in alginate beads (synthetic seeds) by evaporation at room temperature. In the vitrification procedure, dehydration is obtained by placing plant cells and organs in extremely concentrated solutions of permeating and/or non-permeating cryoprotectants. Thermal analysis shows that the two last procedures led to glass transitions of both organs and cryoprotective media, during cooling as well as during rewarming. It appears to be a useful approach for improvement of cryopreservation by perfecting the composition of cryoprotective mixtures.

Zusammenfassung

Sollen Pflanzenzellen oder Organe eine Behandlung mit flüssigem Stickstoff überleben, muß eine intrazelluläre Kristallisation verhindert werden. Dies umfaßt eine vorherige Dehydratation der Zellen, bevor sie in flüssigen Stickstoff eingetaucht werden. Für eine erfolgreiche Kryokonservierung von Zellen und Organen werden drei Hauptmethoden vorgeschlagen. Bei herkömmlichen Verfahren ergibt sich die Dehydratation der Zellen aus einem extrazellulären Gefrieren des kryoprotektiven Mediums beim ersten Schritt der Abkühlung bis −40°C. Bei Dehydratationsverfahren wird der Wasserverlust ganz allgemein nach Einkapseln von Keimspitzen und somatischen Embryos in Alginatperlen (synthetisches Samenkorn) durch Verdampfen bei Raumtemperatur erreicht. Beim Anschmelzungsverfahren wird die Dehydratation erreicht, indem man die Pflanzenzellen und Organe in stark konzentrierte Lösungen von durchdringenden und/oder nichtdurchdringenden Kryoprotektanten gibt. Die Thermoanalyse zeigt, daß die beiden letzteren Verfahren zu einer Glasumwandlung sowohl der Organe als auch des kryoprotektiven Mediums führt, sowohl beim Abkühlen als auch beim Wiedererwärmen. Die Verbesserung der Zusammensetzung von Kryoprotektantgemischen scheint ein nützliche Weg zur Weiterentwicklung der Kryokonservierung zu sein.