Глава 16. Фитобиотехнология

В настоящее время растения используют в различных сферах производства. С их помощью получают продукты питания, строительные материалы, целлюлозные продукты, химикаты, энергию и многое другое. В фармации и медицине растения применяют в качестве источника биологически активных веществ, на основе которых производят различные лекарственные средства.

Биотехнологические разработки позволили получить культуры кле­ток высших растений, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с растениями, а именно:

• получение необходимых количеств продукта с воспроизводимыми характеристиками в асептических условиях;
• исключение влияния неблагоприятных климатических факторов и сезонных условий;
• сокращение посевных площадей;
• возможность получения новых веществ, которые несвойственны растению, путем внесения изменений в структуру или биохимию растительной ткани.

Термин культура клеток, органов, тканей применим к выращенным в асептических условиях на искусственных питательных средах различным частям растений (кончики корней, листовые примордии, меристемы побегов, части цветков и плодов), каллусной ткани, сус­пензионной культуре и культуре протопластов (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Варианты культивирования клеток, тканей и органов растений

Как и растения, культуры их клеток и тканей нашли широкое применение в народном хозяйстве (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Применение культуры клеток, тканей и органов растений в различных производ­ственных сферах: БАВ — биологически активное вещество

Основой культивирования клеток и тканей растений является свойство растительных клеток — тотипотентность — способность любой клетки реализовывать весь свой генетический материал, обеспечивающий ее дифференцировку и развитие до целого организма. У растительных клеток тотипотентность могут проявлять специализированные клетки, в результате чего на раневой поверхности растения из-за неорганизованной пролиферации происходит развитие каллуса, который первоначально состоит из недифференцированных клеток. При наличии вторичной дифференцировки наблюдается образование специализированных тканей и органов.

В истории развития культивирования клеток и тканей растений выделяют насколько этапов.

I этап (1878–1902) связан с первыми исследованиями по получению изолированных тканей растений. На рубеже XIX–XX вв. немецкие ученые H. Vöchting (1892), K. Rechinger (1893) и H. Haberlandt (1902) доказали полярность органов и тканей растений и выдвинули гипотезу о тотипотентности любой живой клетки. Появилась идея культивирования изолированных растительных клеток in vitro и было установлено, что каллус может образовываться только при толщине среза не менее 1,5 мм.

II этап (1902–1922) ознаменован исследованиями, направленными на создание благоприятных условий для выращивания изолированных органов, тканей и клеток.

III этап (1922–1932) характеризовался началом использования для культивирования меристематических клеток и применением сложных культуральных сред.

IV этап (1932–1940) связан с исследованиями ученых R. Gautheret и F. White, доказавших способность каллусов и тканей к неограниченному росту при переносе их на свежие питательные среды. В этот период было установлено, что введение в питательные среды фитогормонов способствует длительной пролиферации каллусных тканей.

V этап (1940–1960) — период детальной разработки техники культуры тканей растений, приведший к значительному расширению списка растений, выращенных in vitro. В 1959 г. уже насчитывалось более 140 видов высших растений, из которых были получены длительные пересадочные культуры. В это время было детально изучено значение макро- и микроэлементов, витаминов и фитогормонов в питательных средах.

VI этап (1960–1975) начался в 60-х годах XX в., когда были представлены разработки по получению изолированных протопластов. В эти годы были разработаны основные методы получения безвирусных растений из меристемы и начались эксперименты по разработке глубинного культивирования клеток. В этот период был разработан метод микроклонального размножения.

VII этап (1975 г. — по настоящее время) ознаменован началом разработок методов слияния протопластов и селекции гибридных клеток, а также культивирования гаплоидных клеток. Последующие годы были отмечены созданием системы иммобилизованных клеток для полу­чения различных химических соединений и их биотрансформации. В настоящее время биотехнология растительных клеток и тканей располагает такими методами, как клональное микроразмножение, изолирование протопластов и получение соматических гибридов, методы генетической трансформации.

Как известно, растения имеют способность синтезировать и накап­ливать большое количество специфических соединений, первичных и вторичных метаболитов (табл. 16.1). К первичным метаболитам, присутствующим во всех растительных клетках, относят белки, некоторые ферменты, витамины, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы; к вторичным — алкалоиды, изопреноиды, фенольные соединения и их производные. Вторичные метаболиты специфичны для одного или нескольких видов растений.

Таблица 16.1. Характеристика первичных и вторичных метаболитов