Культуры тканей и клеток высших растений

В основе биотехнологии клеток растений лежит их способность существовать и размножаться in vitro, тотипотентность и регенерация.

Основные направления клеточной биотехнологии растений:

1) продуцирование ценных для медицины, парфюмерии и др. отраслей промышленности вторичных метаболитов: алкалоиды, стероиды, гликозиды, флавоноиды, гормоны, эфирные масла и др. Как правило, вторичные вещества получают из каллусной ткани (недифференцированные вакуолизированные клетки, растущие хаотично и образующие клеточную массу). Продуктивность культивируемых клеток значительно превышает продуктивность целых растений. Кроме того, это дает возможность использовать растения, не произрастающие в наших природных условиях и получать продукцию целый год.

2) Использование культуры изолированных тканей для размножения и оздоровления посадочного материала – метод клонального микроразмножения растений. Метод позволяет получать от одной меристемы сотни тысяч растений в год.

3) Использование изолированных клеток в селекции растений для получения быстрорастущих растений, устойчивых к различным неблагоприятным факторам среды: засуха, засоление, низкие и высокие температуры, фитопатогены, тяжелые металлы и др. создание новых растений путем слияния изолированных протопластов и получения неполовых (соматических) гибридов.

Создание культур растительных клеток стало возможным после разработки соответствующей среды и режимов культивирования. Питательная среда должна включать все необходимые растениям макро- и микроэлементы, витамины, углеводы, фитогормоны. В зависимости от соотношения гормонов можно индуцировать рост побегов и корневой системы. Ауксины стимулируют рост корней, цитокинины – образование конуса роста и побегов, гиббериллины способствуют растяжению стебля. Если отношение ауксинов к цитокининам высокое, образуются корни, если низкое - побеги.

Протопласты растений впервые были получены в 1971 г. Регенерация растений из протопластов осуществляется либо через эмбриогенез, либо через развитие каллуса с дальнейшей индукцией морфогенеза. Овладение техникой регенерации растений из протопластов позволяет сделать более эффективной селекцию на уровне клеток. Например, если клетки обработать мутагеном и поместить в неблагоприятные условия, то выживут только мутанты, устойчивые к этим условиям. Таким способом были получены растения, устойчивые к возбудителям картофельной гнили, фитофторы, к гербицидам и др.

Методом слияния протопластов можно переносить гены устойчивости к болезням или др. гены в одном приеме, что при обычной гибридизации можно сделать либо за десятилетия, либо вообще невозможно из-за филогенетической отдаленности. Слияние протопластов может происходить спонтанно, но более успешно оно осуществляется при использовании индуцирующих факторов. Это могут быть химические факторы, например, полиэтиленгликоль) или физические (переменное электрическое поле).

Кроме того, протопласты можно использовать для введения в них ДНК или органелл других клеток (рис. 46).

Рис.46. Схема соматической гибридизации

Работы по переносу органелл и ДНК только начинают развиваться. В целом использование изолированных протопластов в генетической реконструкции клетки открывает перспективы перед клеточной селекцией.