"In-vitro" bedeutet im (Reagenz-) Glas und bildet das Gegenstück zu "in vivo", was so viel bedeutet wie "im lebenden Organismus". In-vitro-Verfahren sind allgemein solche biotechnischen Vorgänge, bei denen das Versuchsobjekt unter kontrolierten Bedingungen, unabhängig von den vielfältigen anderen Faktoren der belebten Außenwelt, in einem Reagenzglas oder einer Petrischale beobachtet wird. Auf diese Weise können Ursache und Wirkung von Stoffwechselvorgängen erforscht werden. Als Beispiel kann man die Reaktion von einzelnen Zellen (Bakterien, isolierten Nerven-, Muskel- oder Krebszellen) auf Antibiotika, Pilzgifte oder Strahlung untersuchen.

Die in-vitro Kultur von Pflanzen wird bereits seit über 30 Jahren angewandt. Es handelt sich dabei um eine Form der vegetativen Vermehrung, die sich das Wissen um die hormonelle Regulierung im Pflanzenkörper zu Nutze macht. Während man bei der Vermehrung durch Stecklinge auf die selbstproduzierten Hormone der Pflanze in Triebspitze und Blattknoten angewiesen ist, werden in-vitro die Hormone künstlich zugeführt, um Wurzelbildung und Neuaustrieb zu erreichen.

Die zeitaufwendige und teure Vermehrung im Labor lohnt sich nur, wenn es sich um spezielle Pflanzen handelt. Wenn man zum Beispiel einen Kreuzungsversuch macht, kann es sein, dass von 500 oder 1000 Sämlingen zwei oder drei interessante Eigenschaften zeigen. Manchmal findet man auch einen interessanten Sämling mit unbekannten Eltern (z. B. Apfelsorte ´Boskoop´) oder es treten spontane Mutationen an Triebspitzen auf. Nun steht man vor dem Problem aus einer Pflanze eine Million zu machen. Besonders bei langsam wachsenden Pflanzen wie Gehölzen ist es schwierig eine Massenvermehrung durch Stecklinge zu erreichen. Dazu kommt, dass nicht jeder Steckling anwächst und mit jedem Schnitt an der Mutterpflanze Pforten für Krankheitserreger geöffnet werden. Aber auch die Vermehrung von krautigen Pflanzen ist manchmal schwierig. So bildet die Echinodorus-Sorte ´Apart´ zum Beispiel weder Blüten noch Ableger und die ertragreichsten Spargelsorten sind rein männlich. Tatsächlich werden in der Spargelproduktion lediglich männliche Pflanzen angebaut, weil die weiblichen Pflanzen einen Teil ihrer Energie in die Produktion von Früchten investieren und darum weniger Ertrag bringen. Rein männlichen Sorten kann man aber nur durch Teilung vermehren oder eben im Labor. Denn zumindest theoretisch benötigt man für die Vermehrung einer Pflanze im Labor nur eine einzelne Zelle, aus der dann ein genetisch identisches Doppel - ein Klon - der Mutterpflanze entsteht.

Es gibt verschiedene Formen von in-vitro Kultur. Am häufigsten werden Meristeme (aus Triebspitzen, Blattachseln, Blütenanlagen) oder Explantate (Stücke aus den Blättern, Stängeln oder Wurzeln) verwendet. Die Meristeme sind - wenn im Labor sorgfältig gearbeitet wird - frei von Bakterien und Viren. Es handelt sich um Teilungsgewebe und damit um die jüngsten Zellen der Pflanzen. Sie sind durch verschiedene Schichten von Blattanlagen von der Umwelt abgeschnitten. Sie sind winzig und selbst unter dem Binokkular nur mit Mühe zu sehen. Explantate können dagegen mehrere Zentimeter groß sein. Sie sind ihrer Umwelt direkt ausgesetzt und sind in jedem Fall mit Bakterien, Algen und Pilzen überzogen. Das ist für die lebende Pflanze nicht von Bedeutung, für das abgeschnitte Blatt- oder Stängelstück ist das aber gefährlich. Darum werden die Explantate mit unterschiedlichen Verfahren desinfiziert. Hierbei können sie beschädigt werden und ihre Lebensfähigkeit verlieren, wenn das Desinfektionsmittel nicht nur die Fremdorganismen, sondern auch die Pflanzenzellen angreift. Es erfordert etwa Erfahrung und Fingerspitzengefühl, um pflanzliches Material zu etablieren. Darum reicht in der Praxis auch eine Pflanze nicht aus. Abhängig davon wie empfindlich die Art oder wie hartnäckig die Keime sind, benötigt man für die Etablierung im Labor 10 bis 20 oder etwa 1000 Pflanzen oder Samen um etwa fünf bis zehn neue Kulturansätze zu bekommen.
 
 

Um Keimfreiheit zu ermöglichen, werden die Pflanzen  auf einer Cleanbanch bearbeitet.  Hier kommt ein stetiger Luftstrom von vorne  und bläst alle Keime, die vom Bearbeiter ausgehen  könnten, vom Material weg in den Raum.	Alle Materialien werden mit Druck und Hitze in einem Autoklaven sterilisiert.
Trotz der Sorgfalt kommt es vor, dass sich  Pilze  ansiedeln. Dieses neu etablierte Material kann  nicht weiter kultiviert werden.	Sehr selten kommt es vor, dass zu einem späteren  Zeitpunkt noch Verunreinigungen auftreten und  bis zum Kulturende Pilze mit der Pflanze  zusammen wachsen.

Bei anderen Verfahren wird nur mit Einzelzellen gearbeitet. In der Protoplastenkultur werden von entnommenen Pflanzenteilen durch Enzyme die Zellwände abgelöst. Danach ist der Zellinhalt (Chloroplasten, Mitochindrien, Zellkern etc.) nur noch von der Zellmembran umschlossen wie Reis in einem Kochbeutel. Diese Zellen können dann mit anderen kombiniert werden. Das entspricht in etwa der in-vitro Fertilisation (Befruchtung im Reagenzglas). Nur das dabei keine Ei- und Samenzellen, sondern Körperzellen verwendet werden.

Bei der Meristemkultur bildet sich aus jedem überlebenden Meristem direkt eine neue Jungpflanze. Bei der Verwendung von Explantaten bildet sich zuerste ein Kallus. Das ist undifferenziertes Gewebe, dass wiederholt geteilt werden kann. In dieser Form ist eine Pflanze in-vitro lagerbar. Sie bleibt in diesem Stadium und teilt sich weiter und wird umgebetettet und vermehrt, bis Hormone zugeführt werden, die die Bildung von Wurzeln, Stängeln und Blättern anregen. Es kommt vor, dass die Pflanzen mit der Zeit Schaden nehmen und sich nicht mehr auf die Gewächshauskultur umstellen lassen, Verkrüppelungen zeigen oder keine Pflanzen mehr aus dem Kallus hervorgehen können. Dann muss die Pflanze neu etabliert werden. Das ist aber erst nach mehreren Jahren der Fall.

Nachdem das pflanzliche Gewebe desinfiziert wurde, wird es auf ein steriles, abgekochtes Nährmedium gelegt. In der Regel wird dafür Agar verwendet. Eine gelatineartige Masse, die ursprünglich aus Algen gewonnen wurde. Dieser Masse werden Mikronährstoffe, Hormone und Vitamine zugesetzt. Anders als die vollständige Pflanze kann das Meristem oder der Kallus keine Vitamine bilden und ist darum auf eine Versorgung von außen angewiesen. Die genaue Zusammensetzung des Mediums hängt von der Pflanzenart und der Art der Vermehrung ab. Die Protoplastenkultur erfolgt zum Beispiel in einer Flüssigkeit und die Kalluskultur auf einem festen Medium. In einem klimatisierten und beleuchteten Raum werden die Kulturgefäße aufgestellt.
 
 

In solchen Klimakammern werden die Pflanzen  bei geregelter Temperatur und Licht kultiviert.	Millionen von Pflanzen stehen so auf engstem Raum.
Echinodorus in in-vitro Kultur.	Anubias in in-vitro-Kultur.

 

Nun beginnen die Zellen sich zu teilen. Das Meristem beginnt eine Jungpflanze zu bilden, die genetisch mit der Mutterpflanze identisch ist. Das Explantat bildet am Rand den undifferenzierten Kallus aus. Nach einigen Wochen wird der Kallus unter sterilen Bedingungen in kleinere Stücke geteilt und wächst auf einem neuen Medium weiter. Das wird so oft wiederholt, bis ausreichend Material vorhanden ist. Dann wird der Kallus nach dem Teilen auf ein Medium gelegt, der eine andere Hormonzusammensetzung hat und die Bildung von Wurzeln, Sproßen und Blättern ermöglicht. Bis nach der Etablierung die ersten Pflanzen so groß sind, dass sie in einer Gärtnerei eingetopft werden können, vergeht etwa ein Jahr. Eine Aquarienpflanze muss dann noch etwa 8 bis 12 Wochen in einem Gewächshaus kultiviert werden, bevor sie verkauft werden kann.
 
 
 

In-vitro Pflanzen vor dem Topfen.

Manchmal geht auch etwas schief:  links Chlorosen durch Nährstoffmangel;  rechts matschige Triebspitzen  durch Anstoßen am Deckel

Die in-vitro Kultur wird für viele verschiedene Pflanzen genutzt. Vor allem Orchideen werden auf diese Weise vermehrt. Aquarienpflanzen machen nur einen geringen Teil aus.

In vitro vermehrte Wasserpflanzen (in Tausend)
 
 

	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999
Alternanthera*	15	20	15	12	12	12	15	30	30
Anubias	10	20	50	60	70	70	60	100	100
Cryptocoryne	60	70	120	100	120	120	140	130	180
Echinodorus	250	250	180	180	150	150	100	140	140
Diverse Wasserpflanzen	-	-	125	450	80	578	543	720	904

* darunter auch Arten für die Gartenkultur