Направления и возможности использования культуры изолированных тканей растений

28 Декабря в 19:01 2094 0


Методы культивирования изолированных клеток, органов и тканей находят широкое применение в экспериментальной биологии и используются во многих биотехнологических процессах, в которые включены высшие растения.

Если биологической основой культуры изолированных тканей является тотипотентность растительных клеток, то обеспечение этого процесса складывается путем подбора питательных сред определенного состава, регуляторов роста и технических (физических) условий введения в культуру и собственно процесса культивирования (выбор экспланта, стерилизация, освещенность, температура и др.).

Основные направления использования

Культура клеток и тканей растений может использоваться в двух основных направлениях: 1) размножение или поддержание жизни у неизмененных по сравнению с донорами клеток, тканей, растений; 2) целенаправленное воздействие на изменение генетического статуса клеток и отбор в селективных условиях нужных вариантов.

Возможности культуры изолированных клеток и тканей растений весьма обширны:
1) получение вторичных метаболитов, продуцируемых отдельными клетками и тканями некоторых полезных растений (алкалоидов, глюкозидов, стероидов и т.д.), используемых для производства лекарств;
2) клеточная и тканевая селекция форм с полезными хозяйственными свойствами;
3) генетическое улучшение сельскохозяйственных растений;
4) ускоренное (микроразмножение) ценных и уникальных генотипов и поддержание жизнеспособности ослабленных клеток и тканей;
5) освобождение (оздоровление) посадочного материала от вирусной инфекции;
6) сохранение генофонда в условиях криоконсервации.

С использованием методов культивирования также решается большое число теоретических проблем, в том числе:
- особенности старения растительной клетки;
- процессы цитодифференцировки и морфогенеза;
- роль фитогормонов, углеводов, витаминов, минеральных веществ при каллусогенезе, органогенезе, морфогенезе;
- взаимоотношения клеток высших растений с клубеньковыми бактериями и микоризными грибами;
- механизмы устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды: абиотическим (засолению, кислой среде, низким температурам и т.д.), биотическим (патогенам разного происхождения, вызывающим болезни растений);
- регуляция вторичного обмена;
- механизмы опухолеобразования;
- механизмы сомаклональной изменчивости;
- популяционные взаимоотношения в клеточной культуре.

Проблемы культивирования изолированных тканей

Успех в применении культуры клеток и тканей зависит от оптимизации физиологических процессов, обеспечивающих нормальное деление клеток, их дифференциацию и регенерацию из них взрослых растений, что определяется многими факторами, прежде всего используемыми гормонами. Наиболее сложной является регенерация растений из отдельных клеток. В первую очередь это касается злаковых растений, поэтому важнейшее значение имеет выяснение механизмов морфогенеза in vitro, регенерации и лежащих в их основе процессов.

Высокая способность к образованию растений-регенерантов при культивировании in vitro тканей и клеток растений является необходимым условием эффективного применения многих клеточных технологий.

В старых пересадочных культурах может протекать процесс, получивший название «привыкание». Он связан с усилением клеточной дедифференцировки, приобретением автономности по отношению к гормонам и превращением каллусных клеток в клетки химических опухолей. «Привыкание» тканей препятствует в большинстве случаев получению растений-регенерантов. Утрата регенерационной способности наблюдается также при длительном пассировании у гормонозависимых, т.е. нормальных, каллусных тканей.

Новообразование растений в культивируемых каллусных культурах в значительной степени определяется генотипом и физиологическим статусом экспланта. В связи с этим способ отбора генотипов и эксплантов, эффективных к образованию морфогенетических структур в культуре in vitro, представляет собой актуальную задачу. Решение ее сопряжено с разработкой ряда физиологических проблем, одной из которых является изучение особенностей целого растения, обуславливающих поведение его органов и тканей в культуре in vitro.



Имеются данные, которые указывают на связь способности к регенерации растений в культуре первичных эксплантов с модификацией клеточного метаболизма, функционированием меристем и морфогенезом растения, которые, в свою очередь, определяются гормональным балансом.

Есть данные о положительном влиянии кустистости и об отрицательном влиянии скороспелости растений картофеля на число побегов в первичном каллусе клубневых дисков. Склонность к образованию многочисленных придаточных корней в природе находит отражение в высоком уровне ризогенеза в каллусной культуре. У гороха отмечен высокий коэффициент корреляции между азотфиксацией (нитрогеназная активность, интенсивность образования клубеньков, число клубеньков) и каллусо- и корнеобразованием.

Предполагается, что общая причина формирования клубеньков на корнях растений и образования каллуса в культуре in vitro заключается в способности генотипа к пролиферации клеток, определяемой балансом фитогормонов. Показана связь между полиэмбрионией семян in vivo и числом соматических эмбриоидов в культуре in vitro у ржи. Выявлено большое сходство при формировании эмбриоидов в семени пиона (Paeonia anomala L.) in vivo и в культуре in vitro (образование эмбриоидов из клеток эпидермиса, характер их развития, форма эмбриоидов и др.).

Отмечена отрицательная корреляция между частотой образования нередуцированных пыльцевых зерен и способностью к андрогенезу в культуре пыльников у картофеля. Возможно, это свидетельствует о сцеплении генов, контролирующих формирование эмбриоидов и первое деление при образовании реституционных ядер.

У раннеспелых сортов в культуре первичного каллуса, полученного из развивающихся зародышей, уровень множественной регенерации растений ниже, чем у позднеспелых. Одной из причин низкого уровня множественной регенерации растений в группе раннеспелых сортов может быть более быстрое развитие зародышей, что определяет более короткий период компетентности их клеток.

В работах, проведенных на злаках, показано влияние на процесс регенерации в культуре in vitro отдельных генов, вовлеченных в контроль гормонального баланса растений. Для пшеницы установлено влияние генов, обуславливающих короткостебельность, и гена, определяющего чувствительность к длине дня на рост каллуса, на соматический эмбриогенез и регенерацию растений. У ячменя выявлена сопряженность высокой регенерационной способности с числом рядов в колосе.

Известно, что древесные, и особенно хвойные, деревья характеризуются медленным ростом, трудно укореняются, содержат большое количество вторичных соединений (фенолы, терпены и другие вещества), которые в изолированных тканях активируются, окисляя фенолы растений, различные фенолазы. В свою очередь, продукты окисления фенолов обычно ингибируют деление и рост клеток, что ведет к гибели первичного экспланта или к уменьшению способности тканей древесных пород к регенерации адвентивных почек, которая с возрастом растения-донора постепенно исчезает полностью. Однако несмотря на все трудности, исследователи все чаще привлекают в качестве объектов исследований различные ткани и органы древесных растений.

В целом исследования влияния отдельных характеристик целого растения на поведение его частей в культуре in vitro малочисленны и фрагментарны.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы