Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фізіологія рослин та біотехнологія. Досягнення і перспективи розвитку
Біотехнологія рослин і культура клітин

Наведені вище особливості методу культури рослинних клітин, тканин і органів дозволяють створити на їх основі різні технології. Серед них важливе місце займає одержання промисловим способом біологічно активних речовин рослинного походження.

Справа в тім, що культивовані клітини, як правило, зберігають здатність до синтезу вторинних сполук, властивих тому виду рослин, з яких вони взяті. Звичайно, можуть бути і відхилення в їхньому спектрі порівняно з вихідними рослинами. Цим методом можна одержати Алкалоїди і Глікозиди, сапоніни, Фенольні сполуки, Ефірні олії, фітогормони і т. д.

Вихідним важливим принципом для цього є одержання культури клітин видів рослин з високою біосинтетичною здатністю. Шляхом мутагенезу і селекції виявляють найбільш продуктивні лінії. Цим методом вже одержано мутантні клітинні лінії раувольфії зміїної — продуцента Здольних алкалоїдів, діоскореї дальтовидної, яка продукує діосгенін та ін. Ще більш перспективним є перенесення індивідуальних генів, які визначають вторинний метаболізм, в клітину-продуцент.

Другий важливий напрямок — використання тканинних культур для швидкого клонального мікророзмноження та оздоровлення рослин. В основі даної біотехнології є положення про можливу індукцію диференціювання і органогенезу, виникнення біологічної форми із однієї рослинної клітини, її здатності сформувати цілісну рослину (рис. 212). Клітина in vivo в складі Тканини з певним структурним диференціюванням виконує вузьку специфічну функцію. Реалізація її морфогенетичних потенцій стримується in vivo факторами та умовами, які обумовлюються материнською рослиною. Якщо ж клітина ізольована із тканини і перебуває в штучно контрольованих умовах in vitro, то реалізується потенціальна можливість відновлення рослин із клітини або групи клітин. При цьому тотипотентність визначається вибірковою індукцією і репресією генетичної інформації.

Рис. 212. Техніка виділення флоеми з Daucus carota та культивування тканин, вперше проведена Ф. Стюардом (F.S. Steward, 1950) в Корнельському університеті (США)

Тотипотентні всі клітини, однак прояв даної властивості поки що виявляється в клітинах, які називають меристомоїдами. Меристомоїди — це морфогенетично компетентні КЛІТИНИ, які відповідають на індуктори диференціювання і склад поживних середовищ для утворення пагонів, коренів, зародку. Морфологічно їх виявляють в калусних культурах у вигляді дрібних, ізодіаметричних, тонкостінних клітин з великим ядром, щільною цитоплазмою і в яких майже відсутні вакуолі. Так як саме із таких клітин складаються апікальні меристеми і клітини зародка, в тканинах, одержаних із цих органів, найлегше індукувати Органогенез. Кількість меристомоїдних клітин, а звідси і експресія або пригнічення тотипотентності, значно залежить від умов, в яких перебуває клітина перед або в період індукції регенерації Серед них найбільш важливими є освітлення, Температура та вплив певних хімічних сполук. Розширення наших знань про фізико-хімічні і біологічні фактори, які визначають структурно-функціональний стан клітини in vitro, дозволить успішно вирощувати і ті клітини, тканини, які поки ще важко піддаються культурі в контрольованих умовах (Калінін, Кушнір, Сарнацька, 1992).

Отже, регенерація із будь-яких клітин рослин можлива, якщо вдається трансформувати їх в меристомоїди створенням відповідних умов. Мікроклональне розмноження — це безстатеве Вегетативне розмноження, в результаті якого одержують генетично ідентичні форми, що забезпечує збереження генетично однорідного посадкового матеріалу

У виробничих умовах цей метод широко використовується, в тому числі і в Україні, наприклад, для оздоровлення та швидкого клонального розмноження на безвірусній основі в технології насінництва картоплі (Кучко, 1992). Ще у 1934 р. П. Уайт виявив, що віруси відсутні у апексах коренів рослин, уражених вірусом тютюнової мозаїки. Відсутність вірусів в апексах розміром не більше 0,1 мм складає основу методу одержання безвірусних рослин з меристематичних клітин. Чому віруси відсутні саме у апексах? Як відомо, найбільш сприятливими для репродукції фітовірусів є тканини листків. Віруси нездатні автономно пересуватися по рослині, тому допускають симпластний або апопластний шлях їх Міграції по рослинному організму. Клітини ж меристеми апексів дрібні, з тонкою целюлозною оболонкою, щільно зімкнені між собою, вони швидко діляться, тому в них недостатньо налагоджена система плазмодесм. Все це ускладнює апопластний і симпластний шлях міграції вірусів. Не виключені також фізіолого-генетичні механізми, які обумовлюють відсутність вірусів у меристемі апексів (наприклад, фітогормональне гальмування самореплікації вірусного геному). Однак метод мікроклонального оздоровлення стає більш надійним та ефективним при додатковій термообробці і хіміотерапії рослин. Наприклад, витримування насіння соняшника, пшениці при температурах 45-50 °С впродовж однієї години пригнічує вірусні інфекції, не порушуючи зародок. Цей метод дозволяє брати для клонального розмноження більші за розміром меристеми (0,3-0,8 мм), які значно краще виживають на поживних середовищах.

Останнім часом ведеться пошук антивірусних препаратів, які виробляються самими рослинами з метою використання їх в хіміотерапії при оздоровленні рослин. Позитивні результати одержані при використанні екстрактів лаванди, ромашки лікарської, шавлії та інших рослин

Можливість застосувати Методи клонального розмноження in vitro встановлено для більш ніж 400 видів рослин з 82 родин. Клональне мікророзмноження може бути використане для створення колекцій сортів і видів, збереження геномів зникаючих та рідкісних рослин. Переваги біотехнології мікроклонального розмноження рослин перед традиційним способом настільки очевидні, що безсумнівно забезпечать його подальше вдосконалення і розвиток.

Третій напрямок — використання методів клітинної і генної інженерії для генетичної зміни клітини та одержаної на її основі рослини. Для селекційного процесу технології клітинної і генної інженерії рослин мають величезні перспективи (Сидоров, 1990). Одержання рослин з відібраних в селективних умовах мутантних клітин також можливе завдяки унікальній властивості рослинної клітини — тотипотентності. Прийоми культури клітин та регенерації з них рослин уже сьогодні дозволяють реалізувати можливості клітинної селекції, зокрема, на стійкість до стресових факторів, гербіцидів, різних захворювань.

Особливого прогресу в даній галузі досягнуто завдяки розробці нової техніки культивування ізольованих протопластів клітин. Методологія клітинної селекції дозволяє проводити направлений відбір in vitro мутантних форм з певними господарсько-цінними ознаками. Подальше поглиблення наших знань фізіології клітин, що культивуються, процесів регенерації, їхніх молекулярних механізмів, особливостей структури ядерного та цитоплазматичного геномів рослин відкриють нові перспективи розвитку фізіології рослин та її впливу на біотехнологію рослин.