Культура клеток тканей растений может быть использована для

Области применения метода культуры клеток и тканей.

Метод культуры тканей широко используется в сельском хозяйстве и промышленном производстве (рис. 8). Примером может служить массовое клональное микроразмножение плодовоовощных и де­коративных растений, а также их оздоровление от вирусных и других инфекций. С помощью культуры in vitro можно расширить возможности селекционной работы: получать клоны клеток, а за­тем и растения с запрограммированными свойствами. Благодаря способности клеток синтезировать в культуре вторичные метабо­литы возникла отрасль промышленности, осуществляющая био­логический синтез веществ, необходимых человеку.

Рис. 8. Использование культуры клеток и тканей растений в биотехно­логии (по Х. Борнман, 1991)

В настоящее время известно примерно 2 × 10 4 синтезируемых ра­стениями веществ, которые используются человеком, и их коли­чество постоянно увеличивается. Растения всегда служили источ­ником пищи, эфирных масел, красителей и, конечно же, лекар­ственных соединений. Так, мак снотворный (Рараvеr sоттnifеrит) является источником болеутоляющего вещества — кодеина; из на­перстянки (Digitalis lапаtа) получают дигоксин, тонизирующий сер­дечную деятельность; из хинного дерева (Сinсhопа ledgеriапа) — антималярийное средство «хинидин».

Особое место занимают нар­котики и стимулирующие вещества. В небольших, строго контро­лируемых количествах их используют в медицине. Однако при систематическом употреблении низких концентраций наркотиков возникают наркозависимость и стремление к увеличению упот­ребляемой дозы. Применение высоких концентраций наркотика убивает человека. Наиболее известны опиум и героин из Рараvеr sоттnifеrит, кокаин из Erythroxylon, никотин из различных сортов табака. Наиболее известный стимулятор — кофеин, содержащий­ся в растениях чая и кофе. Стимуляторы не токсичны в концент­рациях, рекомендуемых к применению, однако высокие их кон­центрации негативно влияют на сердечно-сосудистую и нервную систему человека.

Большой интерес вызвало открытие пиретринов, выделенных из цветков Сhrуsапthemum cinerariaefolium. Эти вещества — мощ­ные инсектициды. Особая их ценность заключается в том, что пиретрины не вызывают привыкания у насекомых, а также не проявляют кумулятивного токсического эффекта.

Способность растений синтезировать различные со­единения привела к предположению, что тем же свойством будут обладать клетки и ткани этих растений, выращиваемые в стериль­ных условиях. Для некоторых культур это оказалось справедливым, но в отдельных случаях клетки либо не проявляли способности к синтезу необходимых веществ, либо синтезировали их в мини­мальных количествах. Понадобились долгие эксперименты по подбору питательных сред, условий культивирования, исследованию новых штаммов, полученных благодаря генетической гетерогенности каллусных клеток или применению мутагенных факторов, чтобы добиться серьезных успехов в этой области.

В настоящее время промышленный синтез вторичных метабо­литов — очень перспективное направление. Синтез вторичных метаболитов происходит главным образом в суспензионной куль­туре клеток, в регулируемых условиях, поэтому он не зависит от климатических факторов, от повреждения насекомыми. Культуры выращивают на малых площадях в отличие от больших массивов плантаций с необходимыми растениями. Культуры клеток расте­ний могут синтезировать практически все классы соединений вто­ричного обмена, причем довольно часто в количествах, в несколько раз превышающих их синтез в целых растениях. Например, выход аймалицина и серпентина в культуре клеток Саtharanthus roseus составляет 1,3% сухой массы, а в целом растении — 0,26%. В культуре клеток Dioscorea deltoidea диосгенин синтезируется в количестве 26 мг на 1 г сухой массы, а в клубнях растений его содержание составляет 20 мг на 1 г сухой массы.

Читайте также: Ткань pura lana vergine

Кроме того, в культурах кле­ток может начаться синтез веществ, не характерных для исходно­го растения, либо расширяется набор синтезируемых соединений. В ряде случаев в клеточной культуре образуются вещества, кото­рые синтезировались интактным растением на ювенильной фазе развития, либо вещества, содержавшиеся в клетках филогенети­чески более ранних групп растений. Так, в культуре клеток Рараvеr bracteatum содержится сангвирин, характерный для ювенильных растений, и отсутствует тебаин, синтезируемый взрослыми рас­тениями.

Важная особенность культивируемой популяции клеток — ее стабильность в отношении синтеза и накопления продуктов вторичного синтеза. Так, российскими учеными были получены разные штаммы клеток Dioscorеа deltoidea, в том числе штамм-сверхпро­дуцент ИФР ДМ-0,5. Все эти штаммы сохраняли стабильность в отношении синтеза фуростаноловых гликозидов около 26 лет.

Интересная особенность большинства клеток в культуре состоит в том, что обычно эти клетки не транспортируют синтезируемые метаболиты в питательную среду или другие клетки, хотя некото­рые культуры составляют исключение, в частности культура кле­ток мака, которые депонируют алкалоиды в млечники. Синтез вто­ричных метаболитов в культивируемых клетках связан с внутри­клеточными органеллами, в основном с пластидами и эндоплазматическим ретикулумом. В клетках, не способных к транспорту метаболитов, продукты вторичного синтеза обычно накапливают­ся в вакуолях и свободном пространстве клеток.

На синтез вторичных метаболитов влияет целый ряд факторов. Прежде всего, выход продукта зависит от генотипа растения-до­нора. Показано, что культуры клеток, полученных от высокопро­дуктивных растений, продуцировали большее число метаболитов. Другой важный фактор — состав питательной среды и концентра­ция ее компонентов, которые должны обеспечивать, с одной сто­роны, увеличение количества клеток-продуцентов, с другой — усиливать сам процесс синтеза. На рост, т.е. на увеличение био­массы, существенно влияет природа и количество углеводов, со­единений азота и фосфора, на синтез метаболитов — природа и концентрация фитогормонов. Так, при замене одного ауксина на другой, например нафтилуксусной кислоты на 2,4-D (2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту), трехкратно увеличился синтез антрахинона суспензионной культурой Morinda citrifolia.

Существует современная технология получения вто­ричных метаболитов с помощью иммобилизованных клеток куль­туры, т. е. помещение их в определенный носитель или адсорбция в нем. Носитель с клетками помещают в питательную среду. Клет­ки остаются живыми. Они прекращают рост, но продолжают син­тез метаболитов, выделяя их в среду.

Еще один из примеров использования вторичных метаболитов растений — получение карденолидов, гликозиды которых используют в медицине для лечения болезней сердца. Растения наперстянки (Digitalis lanata) в большом количестве синте­зируют дигитоксин вместо необходимого дигоксина. Для соответ­ствующей биотрансформации с успехом используют недифферен­цированную суспензионную культуру наперстянки. Иммобилизо­ванные клетки этой культуры способны долгое время с постоян­ной скоростью трансформировать β-метил-дигитоксин в β–метилдигоксин.

Таким образом, использование суспензионных культур для син­теза вторичных метаболитов в промышленных масштабах имеет большие перспективы, и не только с точки зрения экономичес­кой выгоды получения более дешевой продукции в запланиро­ванных количествах. Важно, что использование культуры клеток может спасти от уничтожения тысячи дикорастущих растений, ставших уже редкими, которые синтезируют необходимые человеку веще­ства. Увеличение выхода продукта может быть достигнуто благода­ря дальнейшей исследовательской работе по селекции специали­зированных популяций клеток и оптимизации условий культиви­рования. Большой интерес представляет также дальнейшее разви­тие методов биотрансформации метаболитов и иммобилизации культивируемых клеток.

Достаточно успешно развиваются с помощью технологий кле­точной инженерии, культуры клеток и тканей ускорение и облегчение селекционного процесса, со­здание растений с новыми качествами, а также клональное мик­роразмножение растений, тесно связанное с проблемой их оздо­ровления от вирусных инфекций и криосохра-нение генофонда — технология, в настоящий момент при­обретшая экологическую направленность.

Читайте также: Устьице тип ткани выполняемые функции

Дата добавления: 2016-06-02 ; просмотров: 2520 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Направления и возможности использования культуры изолированных тканей растений

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.

Читайте также: Особенности распространения ультразвука в тканях

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.

• Свежие записи
  • Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
  • Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
  • Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
  • Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
  • Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом