In vitro-Kulturen

Die konventionellen Methoden der Grünen Biotechnologie finden sich in den Bereichen der in vitro-Kulturen. Hierzu zählen beispielsweise die Mikropropagation, die Protoplastenkulturen, Antheren-/Kalluskulturen und Embryokultur. Alle diese in vitro-Kulturen spielen sich unter sterilen Bedingungen innerhalb eines Reagenzglases oder einer Petrischale ab. Ziel der in vitro-Kultur ist auf der einen Seite das Heranwachsen einer ganzen Pflanze aus einer Einzelzelle oder aus einem Gewebeverband. Auf der anderen Seite ermöglicht sie die unbegrenzte, identische Vervielfältigung von Einzelpflanzen. Die Möglichkeit der Erzeugung von pathogenfreiem Pflanzgut, sowie die Erhaltung eines gewissen Genpools auf begrenztem Raum sind zusätzliche Aspekte der Technologie. Die in vitro-Kultur dient außerdem als erstes Testsystem für die in der Gentechnologie erzeugten transformierten Pflanzen.

Mikropropagation

Als Mikropropagation wird die Stecklingsvermehrung von Pflanzen im Reagenzglas bezeichnet. Die Pflanzen werden unter sterilen Bedingungen in einem für sie optimalen Nährmedium mit allen lebenswichtigen Substanzen versorgt. Unter diesen Bedingungen kann innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, die je nach Pflanzensorte unterschiedlich lang ist, eine Vermehrung der Pflanzen zu großen Stückzahlen erfolgen. Durch die Wärme und die optimale Nährstoffversorgung ist der zeitliche Aufwand vom Steckling zur Pflanze innerhalb der in vitro-Kultur erheblich kürzer im Vergleich zum Gewächshaus. Dazu kommt, dass viele Pflanzen auf verhältnismäßig kleinem Raum gezogen werden können. Nach der Vermehrung und dem Aufwuchs der Pflanzen werden diese langsam an die äußeren Verhältnisse, wie Temperatur, UV-Licht und reduzierte Luftfeuchtigkeit gewöhnt.

Protoplastenkulturen

Protoplasten sind prinzipiell Pflanzenzellen, deren Zellwände mechanisch oder enzymatisch entfernt wurden. Die einzige noch bestehende Barriere nach außen stellt die Zellmembran dar. Protoplasten können nur innerhalb eines sterilen in vitro-Systems überleben, da die Zellwand als Schutz gegenüber physiologischen Veränderungen und mechanischen Einwirkungen entfällt. Aufgrund der Totipotenz der Zellen kann aus einem Protoplasten nach Regeneration der Zellwand eine vollständige Pflanze wiederhergestellt werden. Genutzt werden Protoplastensysteme z. B. zur Fusion von Protoplasten unterschiedlicher Pflanzenarten. Für die Pflanzenzüchtung eröffnete sich aufgrund der Protoplastenfusion eine völlig neue Perspektive. Es konnten nun erstmals Hybridpflanzen hergestellt werden, die auf natürlichem Wege nicht entstehen könnten. Eines der ersten Experimente war die 1970 von Power, Cummins und Cocking durchgeführte Verschmelzung von Protoplasten des Mais (Zea mays) mit Haferprotoplasten (Avena sativa) (Power, J., Cummins, S., Cocking, E.,1970, Nature 225, 1016-1018). Die Fusion der Protoplasten wird durch Detergenzien oder durch Elektrofusion eingeleitet. Das Prinzip der Protoplastenfusion beruht darauf, dass die Partner zunächst in sehr engen Kontakt kommen müssen. Anschließend verschmelzen die beiden Zellen. Das Produkt ist zunächst eine Zelle mit zwei Zellkernen (Heterokaryon). Die Kernfusion findet dann unmittelbar danach oder im Laufe der folgenden Zellteilung statt. Der gesamte Vorgang wird auch als somatische Hybridisierung bezeichnet. Die Asymmetrische Hybridisierung bedient sich des gleichen methodischen Prinzips. Allerdings werden keine vollständigen Zellen miteinander fusioniert, sondern nur ein Teil der genetischen Information wird in das Fusionsprodukt überführt. Darüber ließen sich beispielsweise Fusionsprodukte herstellen, die das Cytoplasma der einen und den Zellkern der anderen Pflanze vereinen. Dies ist im Bereich der chloroplastencodierten Herbizidresistenz oder mitochondriencodierten männlichen Sterilität von Interesse (Mais).
Ein generelles Problem der Protoplastenfusion ist neben den jeweiligen methodischen Anforderungen die Regeneration einer vollständigen Pflanze aus dem transformierten Protoplasten. Die Regenerationsrate ist oftmals vom Genotyp der Kulturpflanze abhängig. Je nach Art lassen sich einige gut, andere sehr schlecht regenerieren.

Antheren-/Kalluskulturen

Als Antheren werden die männlichen Staubgefäße der Pflanze bezeichnet. Sie enthalten die Pollenkörner, welche die männlichen Geschlechtszellen beinhalten. Diese besitzen nur den auf die Hälfte reduzierten Chromosomensatz einer vegetativen Zelle. Werden die Antheren entnommen und auf einem speziellen Nährmedium kultiviert, so entwickeln sich aus den Pollenzellen Pflanzen mit einfachem Chromosomensatz.  Die Vorteile der Antherenkultur liegen in der schnellen Erzeugung reinerbiger Pflanzen und der sicheren Selektion, da hier Genotyp gleich Phänotyp ist. Diese reinerbigen Pflanzen können als Basiszuchtmaterial für Neuzüchtungen verwendet werden.

Embryokultur (Embryo Rescue)

Bei der Bestäubung von Eizellen mit Spermien entsteht ein Embryo, der die Erbinformation beider Eltern enthält. Im Falle von Kreuzungen sehr weit entfernter Pflanzen kommt es oftmals zu einem Absterben des Embryos. 
In der Embryonenkultur wird der Embryo frühzeitig aus dem Fruchtkörper entnommen. Auf einem speziellen Nährboden erfolgt in vitro die Regeneration einer vollständigen Pflanze aus dem Embryo.  Die Embryokultur ermöglicht auf diesem Weg die Entwicklung neuer Kulturarten durch die Möglichkeit der Kreuzung von weit entfernten Pflanzen.