3.8. Биотехнология

Основы молекулярной и клеточной биотехнологии

Культура тканей растений – область биологии, изучающая клетки, ткани и органы, изолированные от растения и выращиваемые на искусственных питательных средах, in vitro. Биотехнология изучает способность растительной клетки при определенных условиях развиваться в целый организм, основанная на полной генетической информации в ее ядре.

Кусочек стерильного участка меристемы (эксплантат) помещают на агар, содержащий необходимые питательные вещества, а также гормоны ауксин и цитокинины, стимулирующие деление клеток. На такой питательной среде клетки очень быстро размножаются, образуя каллусную ткань. Каллус – это беспорядочно делящиеся клетки, рыхло связанные друг с другом.

Пересаживая часть каллусной ткани на новую питательную смесь и изменяя в ней гормональный баланс, в каллусной ткани формируется группа клеток, которые дают начало образованию зачатков побега. При увеличении концентрации цитокинина в каллусе закладываются зачатки корней, и наблюдается процесс органогенеза, т.е. изменение соотношения ауксинов и цитокининов в среде вызывает у каллусной ткани процессы регенерации.

Регенерация растений

Регенерация растений из культуры тканей возможна тремя методами: культурой зародышей, соматическим эмбриогенезом и органогенезом. Культура зародышей представляет собой стерильную культуру зиготических зародышей. Зародыш изолируют из семени или семяпочки и помещают в искусственные условия, заменяющие эндосперм (т.е. питательную среду). Развитие и прорастание происходят также, как в семени.

Соматический, или неполовой, эмбриогенез представляет собой процесс формирования зародышеподобных структур из соматических клеток. Соматический зародыш – это независимая двухполюсная структура, физически не прикрепленная к ткани, из которой происходит.

Формирование растений путем органогенеза состоит в появлении и росте побегов из каллусов или в инициации и росте побегов из пазушных почек, развившихся на культивируемых верхушках побегов и образовавших впоследствии адвентивные корни. Побег – это однополюсная структура, физически связанная с тканью, из которой происходит. Для образования каллусов используют любые эксплантаты: стебли, листья, корешки, черешки листьев, лепестки цветков. Обычно каллус растет в темноте. Формирование побегов и зеленение каллусов происходят на свету.

3.9. Возможности метода культуры клеток и тканей в растениеводстве

Культуру тканей и клеток используют при вегетативном размножении растений, для получения безвирусных сортов и видов культур, для промышленного клонального размножения растений. Кроме агаризованной среды для культуры клеток используют суспензионную культуру, т.е. одиночные клетки и агрегаты, которые растут в жидкой питательной среде определенного состава в стерильных условиях. Необходимым условием получения суспензионной культуры является перемешивание или встряхивание среды. Обычно суспензию получают из рыхлой каллусной ткани, помещая ее в исходную питательную среду. Суспензионная культура используется для изучения путей вторичного метаболизма, синтеза ферментов, экспрессии ионов. Она служит источником получения ценных биологически активных веществ, исходным материалом для клеточной селекции, конечной целью которой является получение растений из клеточных клонов.

Существуют два направления применения культуры клеток и тканей для целей селекции. Первое связано с использованием in vitro для получения новых форм растений путем клеточной селекции и соматической гибридизации. Второе – связано с вспомогательным применением методов in vitro в традиционной селекции для ускорения и облегчения селекционного процесса. Для этого используют изолированные протопласты, полученные после растворения клеточных стенок. Изолированные протопласты способны поглощать макромолекулы и органеллы из окружающего раствора. Благодаря этому культура изолированных протопластов интенсивно используется как объект генной инженерии и модификации растительной клетки. С их помощью получают соматические гибриды отдаленных видов при их половой несовместимости, а также новые формы растений путем внедрения в клетку чужеродного генома или части его. Трансгенные растения получены у хлопчатника, картофеля, томата, рапса, подсолнечника, люцерны, клевера.

Культивирование in vitro пыльцы и пыльников позволяет получать гаплоидные растения и каллусные ткани. Это представляет большой интерес для генетики и селекции, т.к. у гаплоидов легче выявить и отобрать ценные мутанты, а с помощью колхицина можно получить полностью гомозиготные диплоидные растения. Культуры клеток растений способны продуцировать вторичные метаболиты в высоких концентрациях. Максимальный выход продукта в соответствующих культурах клеток достигается правильным сочетанием состава среды и внешних условий.