Введение

Фитобиотехнология – составная часть биотехнологии, объектами которой являются клетки и ткани растений – фотоавтотрофных эукариот, а также биоактивные молекулы растительного происхождения (ферменты, нуклеиновые кислоты, стероиды и некоторые другие сложные органические вещества).

Название фитобиотехнология слагается из четырех слов греческого происхождения: phyton – растение, bios – жизнь, teken – искусство, logos – наука, слово. Следовательно, это наука об использовании растительных объектов в технике и промышленном производстве.

На первый взгляд выращивание растений (злаковых, лекарственных, декоративных и т.д.) в полевых условиях подпадает под рубрику «фитобиотехнология», однако, как и с животными, здесь отсутствуют специфические методы промышленного культивирования цельных растений в биореакторах.

Таким образом, к фитобиотехнологическим процессам относят те из них, которые базируются на клеточном уровне, если даже клетки несут генетическую информацию, воспринятую ими в результате генно-инженерного эксперимента.

Клетки и ткани высших растений, выращиваемые на питательных средах in vitro в строго контролируемых условиях, все шире используют в фитобиотехнологии.

Общирное царство растений – потенциально неограниченный источник клеток и тканей, которые могут быть введены в культуру и, как следствие, существуют неограниченные возможности для создания новых фитобиотехнологических процессов, в которых нуждается человечество.

1. Общие сведения о фитобиотехнологии

В настоящее время царство растений на земном шаре включает порядка 300 000 видов. От рационального и бережного отношения к растениям зависит благополучное выживание человечества на планете Земля.

Хотя растительные клетки и ткани принадлежат к более дифференцированным организмам в сравнении, например, с бактериями, тем не менее, они способны культивироваться в форме неорганизованной клеточной массы – каллуса.

Каллусную ткань можно «заставить» формировать зародышеподобные структуры, почки, побеги, а на их основе – растения-регенераты. Все это происходит благодаря тотипотентности растительных клеток (от лат. totus – все, целый, potentia – сила, потенция). Понятие «тотипотентность» является клеточной характеристикой; в нем отражен потенциал клетки воспроизводить все типы клеток, присущих взрослому организму. Другими словами клетка обладает способностью воспроизводить целый организм.

Если в качестве биообъекта применяют изолированный зародыш, меристему верхушечных или пазушных почек, то есть интегрированную систему, то все получаемые растения-регенеранты будут полностью соответствовать исходному растению, из которого была взята какая-либо интегрированная система из числа вышеназванных. Этим добиваются клонирования интересующих настоящих растений. [2]

В случаях применения изолированных клеток и протопластов удается получать измененные варианты исходной формы, которые передают полученные новые признаки потомству. Этим добиваются возможностей искусственного создания новых форм растений, пригодных для выборки, или селекции (см. рисунок ниже).

В течение последних лет биотехнологам удалось массовое размножение культивируемых растений с уникальными характеристиками, а выращивание растительных клеток стало основой для получения многих природных веществ, образуемых различными растениями в качестве продуктов вторичного обмена (гликозиды, алкалоиды и другие вещества).

Таким образом, клеточная и молекулярная биология растений составляет основу фитобиотохнологии, а главными направлениями стали создание новых форм полезных растений для сельского и лесного хозяйства, а также разработка промышленного производства химических веществ из растений.

2. Протопласты. Характеристика и получение

Растения – как многоклеточные организмы с огромной емкостью геномов, с половым путем размножения и многоступенчатыми программами развития – являются более сложными объектами для генноинженерных экспериментов, чем, например, вирусы, бактерии и дрожжи.

Тем не менее, уже теперь достигнуты определенные успехи с растительными объектами и по прогнозам ученых США к 2010 году ожидается прирост урожайности сельскохозяйственных культур примерно на 60–70% по сравнению с началом 80-х годов текущего столетия в основном на основе использования методов генетической инженерии, когда стал возможным перенос отдельных генов от одного растения другому (в противоположность естественному половому процессу, при котором происходит замена целых блоков сцепленных генов).

Протопласты (от греч. protos – первый, plastos – вылепленный, образованный) – это клетки, лишенные клеточных стенок, способные сохраняться и метаболизировать, равно как и реконструировать клеточную стенку в подходящих условиях.

Протопласты можно получать с помощью механических и биохимических (энзиматических) методов. В первых случаях добиваются плазмолиза растительных тканей, например, с помощью 0,1% раствора сахарозы с последующим разрезанием эпидермиса и освобождением протопластов в окружающую питательную среду.

Энзиматические методы по-разному эффективны в получении протопластов. Здесь необходимо подбирать ферменты для каждого вида растений, однако наиболее часто используют целлюлазы, пектиназы, гемицеллюлазы как индивидуально, так и в комбинациях. Например, для получения протопластов из листьев Nicotiana tabacum листовую ткань без эпидермиса погружают в смесь ферментов, включающую 0,5% пектиназы и 2% целлюлазы в 0,7 М растворе маннита или сорбита; для получения протопластов из листьев клевера и люцерны используют 2–5% смесь гликаназ с пептидазами, и т.д. [5]

В сравнительном плане более подходящим является энзиматический метод получения протопластов как более щадящий. Однако при любом способе важен подбор осмотического стабилизатора, без которого может наступить быстрый плазмоптиз протопластов (по лат. plasma – плазма, option – альтернатива). В качестве таких стабилизаторов могут быть применены растворы неорганических солей (СаСl2, КСl, NaHPO4), органических гликолей (маннита, сорбита), моно- и дисахаридов (глюкозы, ксилозы, сахарозы) в ориентировочных концентрациях 0,3–0,8 М/л. Однако применительно к виду растения, из которого получают протопласты, необходимо подбирать индивидуальные условия для «протопластирования» (осмотический стабилизатор, рН среды). Эти требования сохраняются и в случаях получения протопластов из каллусных культур и клеточных суспензий.

В жизнеспособности выделенных протопластов большую роль играет физиологическая полноценность исходного растительного материала. Суспензионные культуры наиболее приемлемы для этих целей, будучи в конце логарифмической фазы роста (размножения).

Полученные тем или иным путем протопласты либо используют для регенерации растения, либо их можно подвергнуть слиянию с образованием гетерокариотических гибридов.

Из растений, относительно легко регенерирующих из протопластов, можно назвать картофель, люцерну, маниок, рапс, табак. Для получения растений – регенерантов, высаженных в грунт, требуется, как минимум, 16–18 недель.