- Сомаклональная изменчивость

Обычно при регенерации растений в культуре тканей ожидают, что они генетически идентичны источнику. Это ожидание основывалось на том факте, что процесс полностью зависит от митоза, который по идее является консервативным при умножении клеток. Однако данная догма не совсем реальна.

В 1967 году были отмечены среди регенерантов растения, по габитусу (внешнему виду) отличающиеся от исходного, они получили название «сомаклоны».

Сомаклональная изменчивость определяется как генетически переносимая изменчивость, которую можно с частотой 10^-3 наблюдать у растений, регенерированных in vitro из эксплантов, клеток или каллусов.

Клетки в культуре in vitro отличаются по морфологии, по биохимическим свойствам, по физиологическому состоянию и генетически. Разнообразие (вариабельность) среди клеточных линий или растений-регенерантов называют сомаклональной вариабельностью.

Происхождение сомаклональной изменчивости. Существует много механизмов, которые объясняют происхождение СИ. Они в основном относятся к двум моделям: 1) предполагает, что СИ уже существует в соматических клетках Э, 2) что СИ образуется в результате культивирования.

Имеется несколько факторов, влияющих на появление изменчивости в растениях-регенерантах: изменения в первичных эксплантах до помещения их в культуру, природа первичного экспланта (тип экспланта: лист, междоузлие, сегмент побега, плоидность экспланта, его генотип), гетерогенность первичной клеточной популяции, продолжительность культивирования культуры тканей, влияние БАВ (цитокининов, гиббереллинов, ауксинов, антибиотиков и др. в-в) при росте каллуса или во время нового образования органов, мутагенная обработка или включение в среду токсических веществ: гербицидов, солей, токсинов, иногда обработка пониженными температурами.

Полиморфизм культивируемых клеток можно объяснить видовыми и возрастными особенностями, уровнем плоидности, влиянием состава питательной среды и условий культивирования, отсутствием коррелятивных связей. Последний фактор, ведущий к нарушению жесткой регуляции, существовавшей в целом растении, видимо, является основной причиной спонтанной изменчивости клеток in vitro .

Любой фрагмент растения представляет собой мозаику различных тканей, и в зависимости от того, какая ткань даст начало каллусу, возникшие даже из одинаковых эксплантов каллусы будут гетерогенными и отличающимися друг от друга. Одинаковых, в полном смысле, эксплантов в при­роде быть не может, следовательно, неоднородность исходного материа­ла (видовая, возрастная, физиологическая) предопределяет разнокачественность клеток в культуре.

Физиологическая гетерогенность состоит в том, что клетки в популяции находятся в разном физиологическом состоянии, т. е. делятся, растут, стареют, погибают. Такая культура называется асинхронной. Заставить популяцию клеток высших растений проходить фазы клеточного цикла одновременно, т. е. синхронизировать их, почти невозможно. Потому что та часть клеток, которая способна в данный момент к делению, составляет 2–4%. Неблагоприятные условия (низкая температура, исключение важных компонентов питания), задерживающие деление, в какой-то степени способствуют накоплению числа клеток, готовых к делению. Более эффективны некоторые химические вещества, блокирующие определенные стадии подготовки к делению. В лучших случаях синхронизация может быть достигнута у 10–30% клеток, но при последующих делениях популяция опять быстро утрачивает синхронность.

Следует подчеркнуть, что физиологическая вариабельность клеток в суспензионной культуре меньше по сравнению с культурой каллусной ткани на агаре, что связано с более однородными условиями питания, аэрации и удаления токсических метаболитов из клеточного окружения в жидкой перемешиваемой среде.

Возможные механизмы изменчивости. Генетическая природа и механизм возникновения СИ пока слабо изучены, несмотря на интенсивность исследований.

Часто изменения связаны с количественным и структурным состоянием хромосом:

1) Кариотипические изменения. Даже клетки одной и той же ткани, выращиваемые в одном сосуде, могут значительно различаться между собой по хромосомным набо­рам (диплоидные, полиплоидные, анеуплоидные).

Причины генетической изменчивости многообразны: 1) нарушение коррелятивных связей при выделении первичного экспланта из растения, т. е. отсутствие организменного контроля; 2) действие компонентов среды; 3) влияние продуктов метаболизма, накапливающихся в среде; 4) гетерогенность исходного материала и селекция клеток определенного типа.

Обычно после 6 месяцев культивирования процент кариотипически измененных клеток повышается. Однако у некоторых растений (картофель, сорго) несмотря на ненормальность в строении листьев и всего габитуса растений, кариотип остался неизменным.

2) Скрытые изменения, связанные с хромосомными перестройками.

У многих растений отмечали делеции, инверсии, дупликации, кольцевые хромосомы, хромосомные мосты.

Такие хромосомные перестройки могут приводить к потере генетического материала, что сказывается на изменении фенотипа. Скрытые изменения могут приводить не только к потере генов и их функций, но также к экспрессии молчащих генов. Например, перестройка может уничтожить или выключить доминантный аллель, позволяя рецессивному гену проявиться в фенотипе. Такие крупные цитологические нарушения сопряжены с уменьшением фертильности растений-регенерантов.

3) Причинами изменений могут быть ядерные фрагментации и миграции ядерного материала; эндоредупликация, встречающаяся на протяжении инициации каллуса; нарушение митотических процессов.