Основа создания каллусной ткани

Каллусогенез в культуре растительных клеток и тканей

Каллусная ткань — один из видов клеточной дифференцировки, возникает путем неорганизованной пролиферации дедифференцированных клеток органов растения. У растений в природе каллусная ткань возникает в исключительных обстоятельствах (например, при травмах) и функционирует непродолжительное время. Эта ткань защищает место поранения, может накапливать питательные вещества для анатомической регенерации или регенерации утраченного органа.

Образование каллуса не всегда связано с травматическим воздействием. Каллус может возникнуть и в результате пролиферации внутренних тканей экспланта без связи с поверхностью среза из-за нарушения гормонального баланса. Растущий каллус разрывает слои ткани и развивается на поверхности. Для получения культивируемых каллусных клеток фрагменты тканей различных органов высших растений — корней, листьев, стеблей, пыльников, зародышей (экспланты) помещают на искусственную среду, содержащую ауксины, в пробирки, колбы, чашки Петри (in vitro).

Одними из важнейших гормонов, применяемых при культивировании in vitro, являются ауксины, которые активируют деление и растяжение клеток. Проникая в клетки, ИУК связывается со специфическими рецепторами, оказывая влияние на функциональную активность мембран, рибосом и работу ядерного аппарата. В качестве ауксинов используют 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-Д), нафтилуксусную кислоту (НУК), индолил-масляную кислоту (ИМК), индолилуксусную кислоту (ИУК) в концентрации 0,5 — 10 мг / л, в зависимости от вида экспланта.

Для регенерации растения из каллуса или экспланта используют среды с более высоким содержанием цитокининов. К наиболее употребимым относятся: 6-бензиламинопурин (БАП), зеатин, 6-фурфуриламинопурин (кинетин).

Процессу образования каллуса предшествует дедифференцировка тканей экспланта. При дедифференцировке ткани теряют структуру, характерную для их специфических функций в растении, и возвращаются к состоянию делящихся клеток. Если эксплант, используемый для получения каллуса, является фрагментом органа, то имеет в своем составе эпидермальные клетки, клетки камбия, сосудистой системы, сердцевинной и первичной коровой паренхимы. Преимущественно пролиферируют клетки камбия, коры, сердцевинной паренхимы.

Клетки в культуре могут существовать в двух видах: в виде суспензии в жидкой питательной среде и на поверхности твердой питательной среды в виде каллуса. Поверхностное культивирование осуществляют на твердой агаризованной среде.

Каллусная ткань, выращиваемая поверхностным способом, представляет собой аморфную массу тонкостенных паренхимных клеток, не имеющую строго определенной анатомической структуры. Цвет массы может быть белым, желтоватым, зеленым, красным. В зависимости от происхождения и условий выращивания каллусные ткани бывают:

— рыхлые, сильно оводненные, легко распадающиеся на отдельные клетки;

— средней плотности, с хорошо выраженными меристематическими очагами;

— плотные, с зонами редуцированного камбия и сосудов. Как правило, в длительной культуре на средах, содержащих ауксины, каллусные ткани теряют пигментацию и становятся рыхлыми.

В цикле выращивания каллусной ткани клетки после ряда делений приступают к росту растяжением, дифференцируются как зрелая каллусная ткань и деградируют. Для того, чтобы не произошло старения, утраты способности к делению и дальнейшему росту, а также отмирания каллусных клеток, первичный каллус переносят на свежую питательную среду через 28 — 30 дней, то есть проводят пассирование или субкультивирование каллусной ткани.

Возникновение физиологических и структурных различий между клетками и тканями растений, связанное с их функциональной специализацией, называют процессом дифференциации. Понятие «дифференциация» отражает превращение эмбриональной, меристематической клетки в специализированную. Меристематические клетки, однотипные по структуре и функции, начинают развиваться различными путями, создавая ткани разных органов.

Дата добавления: 2016-04-11 ; просмотров: 1303 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Каллусогенез как основа создания клеточных культур

Практически важные технологии in vitro разработаны с использованием объектов разной сложности организации, начиная с изолированных протопластов и кончая изолированными органами или зародышами. Однако культивируемые клетки играют при этом центральную роль. Основным типом культивируемой растительной клетки является каллусная.

Каллусной тканью, или каллусом называют ткань, возникшую путем неорганизованной пролиферации клеток растений. В свою очередь, пролиферацияэто новообразование клеток и тканей путем размножения.

Для получения каллуса фрагменты тканей разных органов растений, называемые эксплантами, помещают на искусственную питательную среду в пробирки, колбы или чашки Петри. Процесс получения и культивирования каллуса требует абсолютной асептики. Экспланты обрабатывают различными стерилизующими растворами, содержащими чаще всего активный хлор или ртуть (гипохлориты, сулема, диацид), к которым для лучшего смачивания добавлены детергенты. Питательные среды и посуду перед использованием стерилизуют горячим паром в автоклавах. Соединения, разрушающиеся при высокой температуре, стерилизуют путем фильтрации через специальные фильтры, размер пор которых не превышает 0,2 мкм.

В состав питательных сред в виде солей входят основные элементы, необходимые для поддержания жизни растений: калий, кальций, азот, магний, фосфор, сера, а также микроэлементы: железо, цинк, бор, медь, марганец, кобальт и другие. Культивируемые клетки не способны к фотосинтезу, поэтому в состав питательных сред в качестве источника энергии включен сахар, чаще всего сахароза или глюкоза. Каллусные клетки нуждаются также в витаминах. Потребность в органическом азоте удовлетворяется за счет введения в состав среды гидролизата казеина или отдельных аминокислот. Очень важным компонентом питательных сред являются природные фитогормоны (ИУК, ИМК, зеатин) или синтетические регуляторы роста с гормональной активностью: ауксиновой – нафтилуксусная кислота (НУК), 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) или цитокининовой — бензиламинопурин (БАП), кинетин и др. Разработано несколько вариантов стандартных питательных сред.

Ткань, образующаяся на питательной среде из клеток экспланта, называется первичным каллусом. Для поддержания его роста по мере истощения элементов питания часть каллуса периодически переносят на свежую питательную среду. Время между пересадками (субкультивированиями) варьирует в зависимости от скорости роста тканей от 3 до 6 недель. Каллус, постоянно поддерживаемый в культуре in vitro, называется пассируемым.

Культивирование каллуса на твердой питательной среде называется поверхностным. Помимо поверхностной культуры можно получить суспензионную культуру клеток, выращиваемую в жидкой питательной среде. Состав жидкой среды, как правило, такой же, как и твердой, но без агара. Для получения суспензионной культуры больше подходят рыхлые каллусы, распадающиеся в жидкой среде на отдельные клетки и группы из 5-50 клеток – агрегаты. Суспензионные культуры выращивают в колбах при обязательном перемешивании на качалках, чтобы обеспечить нормальное снабжение клеток кислородом. Периодически часть суспензии переносят в свежую питательную среду для поддержания непрерывного роста. Клетки в жидкой питательной среде размножаются обычно быстрее, чем на твердой, поэтому промежуток времени между пересадками сокращается до 2-3 недель.

Состояние культивируемых тканей оценивают по доле живых клеток, скорости роста и активности клеточных делений. Жизнеспособность клеток определяют под микроскопом с использованием специальных красителей, например, синей Эванса или метиленовой синей, феносафранина, эозина и др. Краситель не проникает в живые клетки, сохранившие целостность плазматической мембраны, поэтому окрашиваются только мертвые клетки.

Росткультур оценивают по увеличению сырой или сухой массы ткани в цикле выращивания или по увеличению числа клеток в 1 мл. Последний показатель чаще используют для суспензионных культур. Рост тканей складывается из деления и растяжения клеток. Для характеристики активности деления используют показатель называемый митотическим индексом. Это доля клеток, находящихся в данный момент времени в фазе митоза. Определяют митотический индекс под микроскопом на давленых препаратах или срезах тканей, окрашенных ацетоорсеином или ацетокармином, как процент делящихся от общего числа клеток.

Рост ткани в культуре in vitro описывается S-образной кривой. Весь цикл роста принято разделять на несколько фаз: латентная (лаг-фаза), где видимый рост не наблюдается; экспоненциальная, где рост идет с ускорением; линейная, где скорость роста постоянна; фаза замедления роста, стационарная фаза, во время которой масса ткани и число клеток не меняются и фаза деградации, сопровождающаяся гибелью клеток. В зависимости от вида растения, используемого экспланта, состава питательной среды или условий выращивания соотношение продолжительности отдельных фаз ростового цикла может изменяться.

Клетки растений, выращенные вне организма, обладают уникальной способностью не только делиться, образуя неорганизованно растущую массу, но и переходить к вторичной дифференцировке, давая начало элементам сосудистой системы, зачаткам органов или зародышеподобным структурам, которые в дальнейшем развиваются в целое растение. Свойство изолированных клеток полностью реализовать свой потенциал развития с образованием нового организма называется тотипотентностью. Совокупность процессов дифференцировки клеток с образованием специализированных органов и тканей объединяется понятием морфогенез в культуре in vitro.

Основным фактором, вызывающим переход неорганизованно размножающейся клетки к морфогенезу, является изменение набора или количества гормональных факторов в питательной среде. Наряду с гормонами на индукцию морфогенеза влияют сахара, отдельные аминокислоты и другие трофические вещества. Имеют значение также интенсивность и качество освещения, температура, аэрация и другие физические факторы.

Читайте также: Пятновыводитель для тканей порошкообразный vanish oxi action 500 г

Различают несколько видов морфогенеза: гистогенез, органогенез и соматический эмбриогенез. Гистогенез, или гистологическая дифференциация каллусных клеток, это образование в каллусе различных тканей: элементов сосудистой системы, млечников, волокон, трихом. Органогенез – это дифференциация каллусных клеток в целые органы. В зависимости от типа образующихся органов различают гиногенез – образование стеблевых апексов, ризогенез – закладку зачатков корней и флоральный морфогенез – формирование цветковой меристемы. Соматический эмбриогенез – это образование в каллусной или суспензионной культуре эмбриоидов – зародышеподобных структур, способных развиваться во взрослое растение.

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 27 страница

го синтеза. В качестве источника света используют люминесцент­ные лампы. Для большинства травянистых растений оптимум ос­вещенности составляет примерно 1000 люкс. Слишком низкая (300 люкс) или высокая (3000—10 000 люкс) освещенность подавляет рост. Освещение может влиять на метаболизм каллусных клеток. Так, в культурах чайного растения под действием света увеличивался биосинтез полифенолов. Напротив, в культуре клеток Scopolia parvi- flora свет подавлял образование алкалоидов. Кроме интенсивности освещенности на культуру ткани и ее физиологические особенно­сти влияет качество света. Так, более 20 флавонов и флавоноловьп гликозидов образуется в культурах клеток петрушки после освеще­ния ее непрерывным люминесцентным светом «холодный белый» Вместе с тем синтез флавоновых гликозидов активируется при по­следовательном облучении ультрафиолетовым светом, а затем све­том, лежащим в области «красный—длинноволновый красный*

Температура. Для большинства каллусных культур оптимальна температура 26 °С. В то же время каллусы и культуры клеток диос кореи дельтовидной хорошо растут даже при температуре 32 °С. В отличие от роста культур клеток и тканей индукция их морфоге­неза требует более низких температур (18 — 20 °С). Влияние тем­пературы на метаболизм клеток in vitro изучено слабо. Есть дан­ные, что в каллусных культурах максимальное образование алка­лоидов наблюдалось при температуре 25 °С, а при повышении тем­пературы резко снижалось. В суспензионных культурах клеток Ipomoea содержание жирных кислот значительно увеличивалось, если их выращивали при субоптимальных температурах роста (15 °С) Поэтому при выращивании культуры in vitro необходимо тща­тельно изучать влияние всех абиотических факторов, в том числе температурного, на рост и метаболизм клеток.

Аэрация. Для выращивания суспензионных культур большое значение имеет аэрация. Особенно важно снабжение воздухом куль­тивируемых клеток в больших объемах ферментеров.

При сравнении разных типов ферментеров было показано, что синтез вторичных метаболитов в суспензионной культуре был наи­большим при подаче воздуха снизу. При выращивании клеток в малых объемах (в колбах) нормальная аэрация достигается при постоянном перемешивании суспензии.

Влажность. Оптимальная влажность в помещении, где расту!, культуры, должна составлять 60 — 70%.

Таким образом, культивирование клеток и тканей зависит от мно­гих факторов внешней среды, и действие их не всегда хорошо изве? стно. Поэтому при введении в культуру нового вида растений необ-_т ходимо прежде всего тщательно изучить влияние физических фак торов на рост и физиологические характеристики этой культуры.

6.3. ДВДИФФЕРЕНЦИРОВКА КАК ОСНОВА I КАЛЛУСОГЕНЕЗА |

Культура изолированных тканей обычно представлена каллус ными и гораздо реже опухолевыми тканями. Каллусная ткань об разуется в результате повреждения на целых растениях, а также J стерильной культуре на эксплантах — фрагментах ткани или орга на, используемых для получения первичного каллуса. Возникно­вение каллуса связано с неорганизованным делением (пролифе­рацией) дедифференцированных клеток. Дедифференцировка — основа создания каллусной ткани. В процессе дифференцировки клетки теряют способность делиться. Дедифференцировка — это возвращение клеток в меристематическое состояние, при кото­ром они сохраняют способность к делению. У интактных растений дедифференцировка и индукция каллусогенеза возникают вслед­ствие образования раневых гормонов (травматиновая кислота) при механическом повреждении. Обязательное условие дедифферен- цировки тканей экспланта и превращения их в каллусные клетки, помимо повреждения, — присутствие ауксинов и цитокининов. Среди ауксинов чаще всего используют 2,4-D (2,4-дихлорфенок- сиуксусную кислоту), ИУК (индолил-3-уксусную кислоту), НУК (а-нафтилуксусную кислоту), причем наибольшую активность проявляет 2,4-D. Из цитокининов в искусственные питательные среды обычно вносят кинетин, 6-БАП (6-бензиламинопурин), зеатин. Наиболее активны 6-БАП и зеатин. Функции этих двух групп гормонов в каллусогенезе разные, но они тесно связаны между собой. Ауксины вызывают процессы дедифференцировки клетки, подготавливают ее к делению. Затем цитокинины инициируют деление клеток. Последние исследования свидетельствуют, что аук­сины индуцируют синтез главной протеинкиназы клеточного де­ления P₃₄ cdc2 , а цитокинины — циклинов. Таким образом, дей­ствие этих гормонов проявляется только при последовательном или одновременном внесении их в среду. Кроме того, оно будет зависеть от физиологического состояния клеток экспланта, от их компетентности к действию тех или иных внешних факторов. Ре­зультаты исследований показали, что полисахариды и какие-то неизвестные индукторы тоже могут вызывать деление клеток, при­водящее к образованию каллуса.

Во время процесса дедифференциации, который у всех клеток сходен, клетки должны утратить характерные черты исходной ткани. В первую очередь они теряют запасные вещества — крахмал, бел­ки, липиды. В них разрушаются специализированные клеточные органеллы, в частности хлоропласты, но возрастает число ами- лопластов. Кроме того, разрушается аппарат Гольджи, перестраи­ваются эндоплазматический ретикулюм и элементы цитоскелета.

Через несколько часов после перенесения экспланта в условия in vitro начинается новый синтез белка. Он связан, вероятно, с механическим повреждением и действием гормонов, сохранив­шихся в экспланте с момента его изоляции из растения. Когда данные гормоны израсходуются, синтез белка прекращается. Если в это время клетки будут культивироваться на питательной среде, содержащей ауксины и цитокинины, то начнется каллусогенез, т.е. в результате дедифференцировки и деления клеток будет образовываться первичный каллус. Таким образом, специализи­рованная клетка растительной ткани становится каллусной в ре­зультате дедифференцировки, т.е. восстановления у нее способ­ности к делению.

6.4. ТИПЫ КУЛЬТУР КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

В зависимости от способа, условий культивирования и проис­хождения можно выделить несколько типов культур клеток и тка­ней. Если культивирование происходит поверхностно на агаризо- ванной питательной среде, то образуется каллусная ткань. Она не имеет четко выраженной структуры, но может различаться по плотности. Происхождение и условия выращивания определят, будет ли каллусная ткань рыхлой, средней плотности или плот­ной. Рыхлая каллусная ткань имеет сильно оводненные клетки, легко распадается на небольшие группы клеток и кластеры и по­этому может быть использована для получения суспензионной культуры. Ткань средней плотности характеризуется хорошо выра­женными меристематическими очагами. В ней легко инициируют­ся процессы органогенеза. Наконец, у плотных каллусных тканей различают зоны редуцированного камбия и трахеидоподобных элементов:

Культуры сильно обводненные, легко распадающиеся на отдельные клетки (получение суспензии)

Существует также суспензионная культура клеток, которую вы­ращивают в жидкой питательной среде, так называемое глубин­ное культивирование. Клеточные суспензии образуются как из каллусных тканей, так и непосредственно из экспланта. Для полу­чения суспензионных культур предпочтительнее брать каллусы рых­лого типа. Если для этой цели необходимо использовать плотный каллус, то его можно разрыхлить, исключив из питательной среды соли Са 2+ . С этой же целью можно культивировать ткань на среде, содержащей ауксин 2,4-D или ферменты — пектиназу (0,2 мг/л) и целлюлазу (0,01 мг/л). Наилучший эффект достигается при добав­лении ферментов. Суспензионные культуры клеток можно полу­чить и непосредственно из экспланта по методу Ф. Стюарда. Для этого эксплант помещают в жидкую среду при постоянном авто­матическом перемешивании. Дедифферениированные клетки от­рываются от экспланта, образуя суспензию в питательной среде. Постоянное встряхивание — необходимое условие культивирова­ния клеточных суспензий. Суспензионные клетки делятся в при­сутствии тех же двух групп гормонов (ауксинов и цитокининов), которые индуцируют деление клеток в каллусных тканях. Следо­вательно, можно сказать, что суспензионные культуры представ­лены разными агрегатами каллусных клеток.

Клеточные суспензии играют значительную роль в биотехноло­гии. Они могут быть использованы для получения изолированных протопластов, которые применяют для клеточной селекции, при введении чужеродных ДНК и других процессах. Клеточные суспен­зии культивируют в больших количествах для получения вторич­ных метаболитов, выявления новых веществ, для выращивания клеточной биомассы. Однако увеличение клеточной биомассы в результате деления клеток и синтез вторичных метаболитов разоб­щены во времени. Поэтому необходимо хорошо знать физиологию, свойства клеток в суспензионных культурах, чтобы получить макси­мальный выход продукта. Состояние клеточных суспензий характе­ризуется плотностью клеточной популяции. За 14 —16 дней (сред­няя длительность пассажа) плотность обычно повышается от 5-10 4 до 5-10 6 кл/мл. Качество суспензии определяется степенью агреги­рованное™. Агрегаты должны содержать не более 10 — 12 клеток.

Читайте также: Небольшие сумочки из ткани

Большой интерес представляет культура одиночных клеток. Ее применяют в клеточной селекции для отбора гибридных клеток и их клонирования, а также для генетических и физиологических исследований. Например, вопрос о причинах генетической неод­нородности легче решать, используя клон-потомство одной клет­ки, а не гетерогенную ткань исходного экспланта.

Однако культивирование одной или нескольких клеток связа­но с определенными трудностями, состоящими в том, что оди­ночная клетка живет, но не делится в тех условиях, которые раз­работаны для нормального роста и размножения клеток каллус — ной ткани. Поэтому при культивировании одиночных клеток по­требовалась выработка специальных методов. Все они основаны на использовании так называемого «кондиционирующего факто­ра» — метаболитов, выделяемых в среду делящимися клетками. Когда на питательную среду высаживается одна клетка или не­большое их количество, они не делятся, так как выделяемого кон­диционирующего фактора не хватает для индукции деления. Сле­довательно, необходимо повысить концентрацию фактора в пи­тательной среде. Этой цели служат следующие методы:

1. Метод ткани-«няньки» — кондиционирующий фактор выде­ляется находящимися рядом с одиночной клеткой кусочками тка- ни-«няньки» (рис. 6.1).

2. Метод «кормящего слоя» — кондиционирующий фактор вы­деляют активно делящиеся клетки суспензионной культуры того же вида растений, что и одиночная клетка (рис. 6.2).

3. Кондиционирование среды — осуществляется путем добав­ления в нее питательной среды, отфильтрованной от интенсивно делящихся клеток.

4. Метод культивирования одиночных клеток — осуществляется в микрокапле, т.е. в очень малом объеме (=20 мкл) богатой пита­тельной среды (Ю.Ю.Глеба).

Рис. 6.1. Выращивание отдельных клеток с помощью ткани-«няньки» (по Р. Г. Бу­тенко, 1999): 1 — одиночные клетки; 2 — каллусная куль- тура-«нянька»

Точно сказать, что представляет собой кондиционирующий фактор, пока невозможно. Согласно исследованиям А.И.Павло­вой и Р. Г. Бутенко (1969), этот фактор водорастворим, термоста­билен, не заменяется фитогормонами, включает низкомолекуляр­ные вещества. Химическая природа кондиционирующего фактора доказывается с помощью довольно простого эксперимента. Если

-2 Рис. 6.2. Использование культуры сус- _ j пензионных клеток в качестве «кор*

5 ных клеток кукурузы (By Дык Куанг^

3. Б. Шамина, 1985): / — колонии клеток; 2 — фильтровал ная бумага; 3 — алюминиевая сетка; 4 пенополиуретан; 5 — суспензия клет

мящего слоя» для выращивания изо-i лированных протопластов и одиноч-*

Рис. 6.3. Доказательство химической природы фактора кондициониро­вания: / — одиночные клетки; 2 — ткань-«нянька»; 3 — делящиеся клетки; 4 — целло­фан; 5— стеклянные пластинки

разделить одиночные клетки и ткань-«няньку» стеклянной плас­тиной, то деления клеток не наступает. Если вместо пластин по­местить целлофан, то хотя и с задержкой начинается деление оди­ночных клеток (рис. 6.3).

6.5. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАЛЛУСНЫХ КЛЕТОК

Каллусная клетка имеет свой цикл развития, аналогичный циклу всех других клеток: деление, растяжение, дифференциров- ку, старение и отмирание. Дифференцировку каллусных клеток принято называть вторичной. Однако ее не следует путать с вто­ричной дифференцировкой, на которой основан морфогенез. Рост каллусных тканей подчиняется общим закономерностям. Кривая роста каллусных тканей также имеет характер ^-образной кривой (ростовая кривая Сакса) и включает пять фаз, длительность кото­рых неодинакова у разных видов растений (рис. 6.4).

Первая фаза — латентная, или лаг-фаза, заключается в подготов­ке клеток к делениям. Вторая — фаза экспоненциального роста (лога­рифмическая). В это время митотическая активность наибольшая,
рост идет с ускорением, масса каллуса увеличивается. Третья фаза — линейная, характеризу­ется постоянной скоростью ро­ста каллусной массы. Четвертая — фаза замедленного роста, во вре­мя которой интенсивность деле­ния клеток резко снижается. Во время пятой фазы — стационар­ной — масса каллуса не увели­чивается, так как начавшееся от­мирание клеток еще компенси­руется за счет их деления. Далее следует отмирание каллуса.

Культивируемые каллусные клетки и ткани сохраняют мно­гие физиологические особенно­сти, свойственные клеткам рас­тения, из которого они были по­лучены. Сохраняются, например, такие свойства, как морозостойкость, устойчивость к абиотическим факторам (температура, засоление, фотопериодическая реакция), а главное, хотя и в разной степени, способность к синтезу вторичных метаболитов. Наряду с общими у каллусных клеток появляются свои, характерные только для них особенности. Например, длительно куль­тивируемые in vitro клетки высших растений, как каллусные, так и суспензионные, образуют специфическую популяцию, относящую­ся к типу неполовых, — популяцию соматических клеток. Наиболее характерные свойства этой популяции — физиологическая асин- хронность и генетическая гетерогенность.

Физиологическая асинхронностъ — наиболее важное свойство не-: половой популяции. Оно заключается в том, что в каждый дан- ! ный момент времени клетки находятся в разных фазах роста: однц делятся, другие растут, а третьи уже стареют. Поэтому общее фи­зиологическое состояние такой популяции принято оценивать по состоянию большинства клеток. )

Причины возникающей асинхронности весьма разнообразны!?

1. Особенности вида, сорта, генотипа индивидуального растер ния, а также особенности экспланта. |

2. Стрессы культивирования, например неоптимальная для дан^ ного вида клеток среда. |

3. Изменение баланса эндогенных гормонов и концентрации | среде экзогенных гормонов в течение выращивания. |

4. Генетическая гетерогенность клеток и клонов. |

5. Аномалия митотического цикла клеток in vitro. |

6. Физические факторы (температура, свет, аэрация). |

Время культивирования Рис. 6.4. Ростовая кривая при пери­одическом выращивании каллусных тканей: Фазы роста: 1 — латентная; 2 — логариф­мическая; 3 — линейная; 4 — замедлен­ного роста; 5 — стационарного роста

Асинхронность — устойчивое свойство популяции каллусных клеток. Если с помощью специфических воздействий синхрони­зировать пролиферацию клеток популяции, то уже через 3—4 де­ления она вновь становится асинхронной.

Генетическая гетерогенность — свойство клеток соматической популяции (нестабильность генома и их генетическая гетероген­ность). Генетически стабильными считаются только клетки меристематических тканей. В клетках остальных тканей при куль­тивировании могут возникать полиплоидия, анеуплоидия, хро­мосомные аберрации, генные мутации. Однако генетическую ге­терогенность нельзя рассматривать как недостаток, так как она является необходимым условием существования популяции кле­ток и служит основой для их адаптации.

В качестве причин появления генетической гетерогенности можно назвать следующие:

1. Генетическая гетерогенность исходного материала. В растени­ях клетки характеризуются различной плоидностью, диплоидны только активно делящиеся меристематические клетки.

2. Нарушение коррелятивных связей при выделении первично­го экспланта из растения.

3. Действие компонентов среды. Экзогенные гормоны и стиму­ляторы могут оказывать мутагенное действие. Ауксины, особенно 2,4-D, входящие в состав питательных сред, — мутагены; цитоки­нины способствуют полиплоидизации клеток.

4. Длительное субкультивирование, при котором накапливают­ся генетически измененные каллусные клетки.

После 5 — 6 пересадок новый кариотип клеточной популяции, как правило, стабилизируется, если условия культивирования остаются постоянными. В противном случае изменение физичес­ких или трофических факторов приведет к новым генетическим изменениям.

Генетическая нестабильность каллусных клеток имеет большое значение для селекционной работы, так как позволяет отбирать штаммы клеток с измененным генотипом. Эти клетки могут обла­дать уникальными свойствами: повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам, повышенной продуктивностью и т.д. Однако генетическая гетерогенность популяций каллусных кле­ток в культуре не влияет на сохранение в их геноме основных качеств вида и растения-донора.

Гормоннезависимость. Хотя гормоны и вызывают мутации, кал­лусные ткани от большинства растений образуются только в при­сутствии в питательной среде и ауксинов, и цитокининов. Ис­ключение составляют, например, незрелые зародыши пшеницы и семядоли подсолнечника. Первые образуют каллусную ткань на питательной среде с 2,4-D, но без цитокининов. Вторые, на­против, — на среде, содержащей цитокинины, но без ауксинов.

Вероятно, такая специфика связана с эндогенным содержанием фитогормонов и с компетентностью клеток. Однако при длитель­ном культивировании практически у всех тканей может возникать специфическое свойство гормоннезависимости, т.е. автономности по отношению к ауксинам и цитокининам. Эти ткани могут расти на среде без гормонов, что делает их похожими на опухолевые клетки и резко отличает от нормальных каллусных тканей. Внешне же та­кие гормоннезависимые ткани ничем не отличаются от каллусных.

Клетки, которые в процессе культивирования приобрели свой­ство автономности от присутствия в среде гормонов, называются «привыкшими». Ткани, образованные такими «привыкшими» клет­ками, называют «химическими опухолями» в отличие от расти­тельных или генетических опухолей. Генетические опухоли возника­ют на межвидовых гибридах растений. Растительные опухоли име­ют бактериальное или вирусное происхождение. Чаще всего расти­тельные опухоли возникают при попадании в растения агробакте- рий. Так, Agrobacterium tumefaciens вызывает образование коронча­тых галлов, A. rhizodenes — бородатого корня, A. rubi — стеблевого галла. Превращение растительных клеток в опухолевые связано с проникновением в них ДНК бактериальной клетки, так называе­мой Ti-плазмиды, которая значительно изменяет свойства клет­ки, в том числе экспрессирует гены, контролирующие синтез аук­синов и цитокининов. Гормоннезависимость «привыкших» клеток связана с изменением активности собственных генов, ответствен­ных за синтез белков-ферментов, участвующих в синтезе гормо­нов. Таким образом, «привыкшим» тканям и растительным опу­холям в равной степени свойственна гормоннезависимость, но у растительных опухолей она носит генетический характер. У «при­выкших» клеток это свойство достигается главным образом за счет эпигеномных изменений. Существует еще одна особенность, по­зволяющая отличить «привыкшие» и опухолевые клетки от обыч­ных каллусных. Обычно ни опухолевые, ни «привыкшие» ткани не способны к нормальной регенерации. Они могут образовывать уродливые органоподобные структуры, так называемые тератомы. В отдельных случаях у длительно культивируемых тканей удается отодвинуть порог «привыкания» благодаря изменению состава питательных сред и добиться регенерации нормального растения.

Читайте также: Газ шифон шелк ткань

6.6. МОРФОГЕНЕЗ В КАЛЛУСНЫХ ТКАНЯХ КАК ПРОЯВЛЕНИЕ ТОТИПОТЕНТНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Дифференцировка каллусных тканей. Одна из наиболее инте­ресных, но сложных проблем в биологии — развитие многокле­точных организмов. Изучение данного вопроса возможно несколь­кими путями. Так, большое распространение получило моделиро­вание процессов онтогенеза на более простых системах. При этом используют изолированные ткани, клетки, протопласты, культи­вируемые в стерильных условиях. Преимущество этого процесса состоит в том, что нет необходимости постоянно учитывать ре­зультаты взаимодействия органов в целостной системе раститель­ного организма. Кроме того, экспериментатор сам имеет возмож­ность выбирать, изменять и повторять условия опыта в соответ­ствии с поставленной задачей. После завершения дедифференци­ровки дальнейшее развитие каллусной клетки может идти в не­скольких направлениях. Во-первых, это вторичная дифференци- ровка разной степени сложности. Во-вторых, в клетке может сфор­мироваться состояние стойкой дедифференцировки («привыка­ние»), а следовательно, способность расти на безгормональной среде. В-третьих, каллусная клетка проходит свой цикл развития, завершающийся ее старением и отмиранием.

Наибольший интерес вызывает первый путь, фактически пред­ставляющий морфогенные процессы. В культуре каллусных тканей морфогенезом называют возникновение организованных струк­тур из неорганизованной массы клеток.

Вторичная дифференцировка каллусной клетки может завер­шиться образованием в каллусной ткани отдельных дифференци­рованных клеток. Они имеют определенное строение и выполняют специфические функции. Примером служит образование эпибла- стов — клеток, в которых запасаются вторичные метаболиты. Это наиболее простой тип дифференцировки каллусной клетки. Более сложная гистологическая дифференцировка завершается образо­ванием в каллусе различных тканей: млечников, волокон, три­хом, элементов ксилемы (трахеи и трахеиды) и флоэмы (сито­видные трубки и клетки-спутницы). К самым сложным видам вто­ричной дифференцировки относятся органогенез — образование органов и соматический эмбриогенез — образование из сомати­ческих клеток эмбриоидов, биполярных зародышеподобных струк­тур. Все эти типы дифференцировки возможны только благодаря тотипотентности: любая растительная клетка содержит полный набор генов, характерный для того организма, из которого она была выделена. Потенциальные возможности всех клеток этого рас­тения одинаковы; каждая из них в определенных условиях может дать начало целому организму. Однако выяснено, что реально де­терминируется только одна из 400—1000 клеток, что, вероятно, связано с физиологическим состоянием клетки, с ее компетент­ностью. Так, у эксплантов стеблевого происхождения компетент­ны к действию экзогенных фитогормонов и, следовательно, спо­собны к морфогенезу только клетки эпидермальных и субэпидер- мальных тканей (Тран Тан Ван, 1981). Однако компетентность клеток может приобретаться ими в процессе культивирования каллусной ткани, в условиях, индуцирующих морфогенез. Время, в течение которого в каллусных клетках возникает это свойство, изменяется в широких пределах. Кроме того, существенную роль в дифференциации играют генотип растения-донора, условия и физические факторы культивирования.

Все каллусные клетки, готовые ко вторичной дифференциров- ке, т.е. детерминированные, характеризуются общими чертами. Эти клетки — «клетки-инициали»— образуют утолщенную клеточную стенку, обособляясь от остальных каллусных клеток. Для них ха­рактерно более крупное ядро, большее количество запасных ве­ществ, меньшие размеры вакуолей. В «клетках-инициалях» начи­нается синтез определенных белков, интенсифицируется пенто- зофосфатный путь расщепления гексоз. Очень важно, что между этими клетками, формирующими меристематические очаги, восстанавливаются плазмодесмы, которые практически отсутству­ют в массе каллусных клеток.

Интересное предположение было высказано JI. Саксом и С. Той- воненом (1963). Оно сводится к тому, что существует минималь­ная масса каллусных клеток, которая определяет способность уже детерминированных клеток к дальнейшему морфогенезу. Это под­твердилось в опытах с культурой семядолей ели: детерминация адвентивных побегов происходила в клеточных комплексах из 5 — 6 клеток (Б.С.Флинн и др., 1988). В исследованиях С.Номура и А. Комамине (1989) было показано, что развитие соматических зародышей детерминируется в 6 — 10-клеточном агрегате.

Гистогенез. Главную роль в преобразовании каллусных клеток в сосудистые элементы играют фитогормоны, в основном ауксины. Опыты по влиянию апикальной меристемы побега (место синтеза ауксинов) на гистогенез в каллусной ткани показали, что ниже места прививки апекса в каллусной ткани начинали образовы­ваться сосудистые элементы. Тот же эффект наблюдался при на­несении на каллус ауксина с сахарозой. Интересно, что повыше­ние концентрации сахарозы способствовало образованию элемен­тов флоэмы, а понижение — образованию ксилемных элементов. Причем такое действие оказывала совместно с ауксином только сахароза, что позволяет говорить о ее регуляторной роли. Добав­ление к гормону других Сахаров гистогенеза не вызывало. В неко­торых случаях стимуляторами гистогенеза помимо ауксинов могут быть и остальные фитогормоны. Так, было отмечено, что в кал­лусных тканях сои этот процесс начинается под действием гиббе- релловой кислоты и этилена.

Органогенез. Первые работы Ф.Скуга и С.Миллера по влия­нию ауксинов и открытого ими кинетина на органогенез в каллу­сах растений показали прямую зависимость этого процесса от со­отношения фитогормонов. Преобладание концентрации ауксина над цитокинином вызывает дифференцировку клеток, приводя-
протопласты — одни из наиболее ценных объектов в биотехноло­гии. Они позволяют исследовать различные свойства мембран, а также транспорт веществ через плазмалемму. Главное их преиму­щество состоит в том, что в изолированные протопласты достаточ­но легко вводить генетическую информацию из органелл и клеток других растений, прокариотических организмов и из клеток жи­вотных. Е. Коккинг установил, что изолированный протопласт бла­годаря механизму пиноцитоза способен поглощать из окружающей среды не только низкомолекулярные вещества, но и крупные моле­кулы, частицы (вирусы) и даже изолированные органеллы.

Большое значение в создании новых форм растений для изуче­ния взаимодействия ядерного генома и геномов органелл имеет способность изолированных протопластов сливаться, образуя гиб­ридные клетки. Таким способом можно добиться получения гиб­ридов от растений с разной степенью таксономической удален­ности, но обладающих ценными хозяйственными качествами.

Впервые протопласты были выделены Дж. Клернером в 1892 г. при изучении плазмолиза в клетках листа телореза (Stratiotes abides) во время механического повреждения ткани. Поэтому этот метод назван механическим. Он позволяет выделить лишь небольшое ко­личество протопластов (выделение возможно не из всех видов тка­ней); сам метод длительный и трудоемкий. Современный метод вы­деления протопластов заключается в удалении клеточной стенки с помощью поэтапного использования ферментов для ее разруше­ния: целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы. Этот метод получил название ферментативного.

Первое успешное выделение протопластов из клеток высших растений данным методом сделано Е. Коккингом в 1960 г. По срав­нению с механическим ферментативный метод имеет ряд пре­имуществ. Он позволяет сравнительно легко и быстро выделять большое количество протопластов, причем они не испытывают сильного осмотического шока. После действия ферментов смесь протопластов пропускают через фильтр и центрифугируют для уда­ления неразрушенных клеток и их осколков.

Выделить протопласты можно из клеток растительных тканей, культуры каллусов и суспензионной культуры. Оптимальные усло­вия для изоляции протопластов для разных объектов индивидуаль­ны, что требует кропотливой предварительной работы по подбору концентраций ферментов, их соотношения, времени обработки. Очень важным фактором, позволяющим выделять целые жизне­способные протопласты, является подбор осмотического стабилиза­тора. В качестве стабилизаторов обычно используют различные сахара, иногда ионные осмотики (растворы солей СаС1₂, Na₂HP0₄, КС1). Концентрация осмотиков должна быть немного гипертонична, что­бы протопласты находились в состоянии слабого плазмолиза. В этом случае тормозятся метаболизм и регенерация клеточной стенки.

• 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