Клетки растений на искусственной питательной среде

  Первые попытки культивирования изолированных тканей растений относятся к концу прошлого — началу нынешнего столетия. В 1902 году известный ботаник и физиолог растений Г. Габерландт первым четко сформулировал мысль о возможности выращивания изолированных клеток растений, хотя его собственные попытки культивирования на искусственной питательной среде клеток традесканции — комнатного декоративного растения — не увенчались успехом.

Прошло более трех десятилетий, прежде чем был достигнут реальный прогресс в этой области. Подлинными основоположниками метода культуры изолированных органов, тканей и клеток растений стали американский исследователь Филипп Уайт и француз Роже Готре. В 1949 году в нашей стране вышла книга Ф. Уайта «Культура растительных тканей», сыгравшая большую роль в развитии исследований по культуре изолированных органов, тканей и клеток растений в СССР. В 1957 году по инициативе академика А. Л. Курсанова в Институте физиологии растений им. К. А. Тимирязева АН СССР были начаты систематические работы в этой области. В 1970 году в институте была организована лаборатория культуры тканей и морфогенеза, которую возглавила Р. Г. Бутенко, ныне член- корреспондент АН СССР и ВАСХНИЛ.
Сущность метода выращивания изолированных тканей растений заключается в том, что выделенный кусочек ткани стерилизуется для уничтожения находящихся на поверхности микроорганизмов и переносится с соблюдением правил стерильности на искусственную питательную среду, включающую в себя минеральные соли, органические вещества (сахара, аминокислоты), фитогормоны (ауксины, цитокинины). Питательный субстрат может быть не только жидким, но и твердым, если в него добавить агар- агар.
Минеральные соли, содержащие азот, фосфор, калий, серу, магний, кальций, железо, — основные компоненты питательных сред, предназначенных для культивирования изолированных тканей. При отсутствии любого из этих макроэлементов ткани плохо растут и даже отмирают. Большое значение для культивируемых тканей имеют микроэлементы (бор, цинк, медь, марганец). Среди углеводов лучший источник углерода — сахароза. В качестве азотсодержащих органических веществ в основном используются гидролизаты белков (казеина) и некоторые аминокислоты.
На такой питательной среде клетки ткани начинают быстро делиться, образуя небольшие по размерам клетки, сплошь заполненные цитоплазмой. В них очень мелкие вакуоли, клеточного сока почти нет. В результате деления возникает масса однородных клеток — каллюс. Кусочки каллюса можно переносить с одной питательной среды на другую. При этом его клетки способны размножаться неопределенно долгое время. Так, например, культуры тканей некоторых растений, введенные еще Р. Готре, в частности культура ткани моркови, пересеваются (или, как говорят ученые, — пассируются) в разных лабораториях мира до сих пор.
При изучении особенностей культивирования изолированных тканей растений было сделано немало ценных наблюдений. Например, установлена зависимость скорости роста от наличия в питательной среде тех или иных соединений. При изменении условий культивирования в каллюсе могут возникать особые образования, превращающиеся в зародышеобразные структуры, в которых можно различить зачаточную почечку и зачаточный корешок. Такие структуры можно вырастить до состояния проростков в пробирках с питательной средой, а затем пересадить в почву, где они разовьются в нормальные растения, способные цвести и давать семена.
Опыты по образованию органов в культуре ткани показали, что каждая клетка тела растения, и не только половая, обладает потенциальными возможностями стать полноценным растением.
Иными словами, как говорят ученые, она тотипотентна. То- типотентность растительных клеток нашла практическое использование в сельском хозяйстве.

Это свойство лежит в основе клонального микроразмножения растений, о котором будет сказано в следующем разделе.
Наряду с культивированием изолированных тканей физиологи растений используют также глубинное выращивание отдельных клеток — метод клеточных суспензий, он открывает новые возможности для изучения процессов роста и функционирования клеток и создания биотехнологических производств различных ценных веществ, продуцентами которых являются растительные ткани.
Культивирование изолированных клеток включает два этапа. На первом изолируют жизнеспособную клетку из ткани целого растения или из культивируемого каллюса. На втором создают ей благоприятные условия для деления и роста.
Выделить отдельные клетки можно с помощью особых ферментов-пектиназ. Эти ферменты разрушают пектиновые вещества, которые входят в состав срединных пластинок, соединяющих клетки друг с другом. Существуют и другие способы. Например, каллюс, выросший в жидкой питательной среде, сильно встряхивают. При этом он обычно легко распадается на отдельные клетки и различной величины конгломераты.
Высвобожденные тем или иным путем клетки переносятся затем в жидкую питательную среду, которая при помощи соответствующих механизмов перемешивается и аэрируется.
Для суспензионного культивирования используются аппараты различной емкости — от нескольких миллилитров до 20 тысяч литров. Аппараты большого объема называются ферментерами. Ферментеры, предназначенные для выращивания суспензионных культур клеток растений, должны обеспечивать стерильность культуры, равномерное распределение биомассы в рабочем объеме, регулировать газовый состав и температуру. При конструировании этих приборов должны учитываться специфические особенности культур клеток различного происхождения. Так, например, клетки женьшеня очень чувствительны к механическим воздействиям.
Разработка методов суспензионного культивирования позволила перейти к гибридизации соматических клеток растений. Однако на пути к этому было существенное затруднение, связанное с наличием у растительных клеток твердых целлюлозных оболочек, препятствующих слиянию их содержимого. Гибридизация соматических клеток стала возможной после разработки метода разрушения этих оболочек и изолирования протопластов.
В самом начале 60 х годов английский исследователь Эдвард Кокинг предложил метод разрушения клеточной оболочки с помощью ферментного препарата культуральной жидкости гриба ми- ротециума              (Myrothecium
verrucaria), при котором протопласты остаются неповрежденными и жизнеспособными.
В настоящее время изолированные протопласты получают из тканей различных органов высших растений: корней, листьев, цветков, плодов, а также из колеоптилей злаков, клубней картофеля, клубеньков бобовых, опухолей различного происхождения. Их нетрудно выделить из культивируемых клеток и тканей.
Изолированные протопласты обладают способностью к слиянию, при этом соединяться может содержимое клеток одного вида растений, разных видов и даже принадлежащих к разным родам. В результате возникают гибридные клетки, названные пара- сексуальными гибридами, которые представляют исключительный интерес для генетиков и селекционеров. Ведь они могут дать каллюс, а в каллю- се нетрудно вызвать возник

новение зародышеобразных структур, которые превратятся затем в гибридные растения, обладающие принципиально новыми свойствами. Получить особи с комплектом таких свойств не всегда удается обычным половым скрещиванием.
Эксперименты с изолированными протопластами, получение гибридных клеток—. прерогатива нового активно развивающегося раздела биологии — клеточной инженерии.

Еще по теме Клетки растений на искусственной питательной среде:

1. Применение искусственной питательной среды
2. ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ РАСТЕНИЙ К ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
3. МНОГОЛЕТНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СРЕДЕ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЖИЗНЬ РАСТЕНИЙ
4. 2.4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ КЛЕТКИ ВО ВРЕМЕНИ 2.4.1. Жизненный цикл клетки
5. УЧЕНИЕ ОБ ИСКУССТВЕННОМ ОТБОРЕ (СЕЛЕКЦИИ) ДОМАШНИХ ЖИВОТНЫХ И КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ
6. Доступность питательных веществ почвы
7. 11.8. АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМОВ К СРЕДЕ ОБИТАНИЯ
8. СОДЕРЖАНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ
9. Действие и оценка питательных веществ навоз
10. Питательные среды.
11. Общие экологические требования к среде обитания
12. Подготовка питательных сред
13. 4.5.4. Орудийные действия антропоидов в естественной среде обитания
14. Глава 12 Популяции в стрессовой среде обитания. Адаптации