Под термином «культура тканей и клеток растений» понимают выращивание in vitro изолированной клетки, ее отдельных структур, различных тканей, частей и органов растений в стерильных контролируемых условиях на искусственных питательных средах, с использованием пластиковых или стеклянных культуральных сосудов.

«In vitro» – выращивание растительных объектов «в стекле» (пробирке, колбе, биореакторе) на искусственных питательных средах, в асептических условиях.

Культура клеток, тканей и органов растений используется для выращивания клеточной биомассы растений, прежде всего лекарственных, с целью получения из нее ценных соединений, в генетико-селекционной работе, для получения трансгенных растений с ценными признаками, а также для изучения фундаментальных проблем физиологии и генетики растений, фитопатологии, онтогенеза растений и др. Для сохранения генофонда растений созданы коллекции культур (банки генов).

Методы культуры клеток и тканей растений основаны на уникальном свойстве растительной клетки – тотипотентности.

«Тотипотентность (лат. Totus – весь, potentia - сила) – это свойство клетки (даже высоко специализированной) реализовать генетическую информацию, обеспечивающую её дифференцировку и развитие до целого организма. А потому теоретически из одной клетки, путем дифференциации можно получить полноценное растение- регенерант».

*Следует отметить, что в отличие от животной, растительная клетка предъявляет менее жесткие требования к условиям культивирования.

«Регенерант – растение, развившееся в результате морфогенеза в культуре изолированных тканей или клеток».

Тотипотентностью обладают оплодотворенные яйцеклетка растений и яйцо животных организмов. Что касается дифференцированных клеток, то у животных тотипотентность присуща только некоторым клеткам кишечнополостных. Так, соматические клетки гидры дают начало новому организму. У высших животных с ранних этапов эмбриогенеза, с началом специализации клеток, тотипотентность не реализуется. Однако клетки, изолированные из эмбрионов млекопитающих, в условиях культивирования способны сохранять плюрипотентность – способность дифференцироваться во все типы клеток как собственно зародыша, так и экстраэмбриональных тканей. Такие клетки получили название эмбриональных стволовых клеток, с ними связывают решение проблемы пересадки тканей.

У растений в природных условиях тотипотентность могут проявлять и специализированные клетки. Пример тому – вегетативное размножение, в том числе наблюдения в результате развития растений из клеток листьев бегонии, каланхое и др.

Тотипотентность у растений реализуется при заживлении ран; на раневой поверхности растений в результате неорганизованной пролиферации клеток происходит развитие каллуса (лат. Callus – мозоль, толстая кожа). Каллус способствует заживлению ран. Однако многие однодомные растений утратили способности к образованию каллуса и вегетативному размножению. В экспериментальных условиях in vitro при выращивании фрагментов тканей, органов (эксплантов) или клеток на искусственных питательных средах возможна реализация супрессированной (подавленной) in vivo тотипотентности. Это осуществляется под действием регуляторов роста и развития фитогормонов. Реализация супрессированной in vivo тотипотентность легче всего осуществляется как при культивировании меристематических клеток, изолированных из кончиков корней и почек и использования сложных по составу культуральных сред, так и при культивировании каллуса. Эти подходы были удачно реализованы в 30-е годы в работах американского исследователя Филиппа Уайта и французского исследователя Роже Готре, которых принято считать родоначальниками современных методов культивирования изолированных органов и тканей растений.

При выборе материала предпочтение отдают меристематическим тканям и органам, поскольку их клетки активно делятся и удобны для культивирования, легче выживают в культуре, обладают большей скоростью роста и тотипотентностью.

Значительно труднее создать контролируемые условия для выращивания дифференцированных тканей, закончивших рост, а также яйцеклеток, зиготы, зародышей, ранних этапов эмбриогенеза (Бутенко Р.Г., 1990).

Регенерацию растений из культуры тканей можно достичь, используя один из трех методов: культуру зародышей, соматический эмбриогенез и органогенез (ТиссераБ., 1989; Носов A.M., 1999).

Рис. 1. Морфогенетические пути развития клетки in vitro (по: Батыгина, 1999, с изменениями)

Изменяя условия (добавляя в состав питательной среды те или иные гормоны), можно вызвать дифференциацию недетерминированных клеток. Культура растительной ткани позволяет получить многочисленные популяции в сравнительно короткое время и в ограниченном пространстве. Клетки в условиях in vitro лишаются очень многих важных взаимодействий, которые определяют их судьбу и дифференциацию в целом организме. В определенных пределах дифференциация культивируемых клеток поддается контролю со стороны экспериментатора.

Основным типом культивируемой растительной клетки является каллус.

Физиологическую основу метода культуры клеток и тканей растений составляет дедифференциация клеток, поскольку необходимо индуцировать клеточные деления в тканях различной степени дифференциации.

«Дедифференциация – переход специализированных, неделящихся клеток к пролиферации и неорганизованному каллусному росту (утрата клетками специализации)».

«Пролиферация - способность в условиях in vitro к образованию определенных структур».

«Дифференциация – комплекс процессов, приводящих к различиям между дочерними клетками, а также между материнскими и дочерними клетками».

«Морфогенез in vitro – процесс формообразования, то есть заложения, роста и развития клеток (цитогенез), тканей (гистогенез) и органов (органогенез) в культуре клеток и тканей in vitro».

Морфогенез in vitro – развитие формы или структур при регенерации в культуре тканей [2]. Регенерация – восстановление целостного организма из клетки, ткани, органа. Регенерацию растений из культуры тканей можно достичь, используя один из трех методов: культуру зародышей, соматический эмбриогенез и органогенез (ТиссераБ., 1989; Носов A.M., 1999).

Морфогенез – процесс развития и формирования клеток, органов и частей организма в онтогенезе и филогенезе, сопровождающийся дифференцировкой тканей [4].

Морфогенез растений - становление формы, образования морфологических структур и целостного организма в процессе развития [5].

Морфогенез in vitro – развитие формы или структур при регенерации в культуре тканей [2].

Морфогенез in vitro – процесс формообразования, то есть заложения, роста и развития клеток (цитогенез), тканей (гистогенез) и органов (органогенез) в культуре клеток и тканей in vitro.

Морфогене з – процесс развития и формирования клеток, органов и частей организма в онтогенезе и филогенезе, сопровождающийся дифференцировкой тканей. [Картель]

Морфогенетическая активность - свойство изолированных клеток и тканей образовывать новые органы или каллус.

«Органогенез - развитие отдельных клеток или тканей в структуры, которые являются органами растений и функционируют как таковые».

Органогенез – у растений под органогенезом понимают формирование органов из меристемной ткани. Термины органогенез и морфогенез часто используют как синонимы.

Основные особенности дифференциации в культуре изолированных клеток и тканей растений:

Из опытов с культурой изолированных тканей, клеток и протопластов можно сделать несколько выводов:

1. Все клетки действительно имеют одинаковые потенциальные возможности.

2. Клетка, которая находится в окружении других клеток, и клетка, выделенная из ткани, проявляют эти возможности по-разному.

3. Проявление потенциальных возможностей клеток определяется внутренними и внешними условиями. Большое значение имеют гормоны.

4. В основе регуляции дифференциации клетки лежит дифференциальная активность генома.

5. Не все клетки могут полностью проявить свои возможности. В некоторых случаях гены настолько репрессированы, что эти возможности не проявляются. В процессе развития клетка может также потерять способность реализовать имеющуюся информацию.

Дифференциация клеток на ткани (гистогенез) и органы (органогенез) осуществляется на основе дифференцированной работы генома, которая идет по заданной программе. В зависимости от концентрации гормональных, питательных веществ, электрических зарядов происходит дерепрессия или репрессия определенных участков генома и, как следствие, биохимическая, а затем анатомо-морфологическая дифференциация. Имеется ряд условий, способствующих дифференциации (Условия, способствующие дифференциации):

1. Полярность — это свойственная растениям специфическая дифференциация процессов и структур в пространстве. При этом физиолого-биохимические или анатомо-морфологические различия изменяются в определенном направлении, в результате чего один конец отличается от другого. Явление полярности проявляется как на одной клетке, так и на совокупности клеток. Так, меристематическая клетка уже поляризована благодаря своему положению: у нее есть верх и низ. И если деление пройдет перпендикулярно оси полярности (асинхронное расположение веретена деления), то, несмотря на одинаковое распределение наследственного материала (ДНК), дочерние клетки будут неодинаковыми по физиологическим и структурным особенностям, по факторам наследственности, расположенным в цитоплазме, и по веществам — гормонам, регулирующим активность генома.

Полярно образование отдельных органов. Так, у черенков корни образуются всегда на нижнем конце. Полярность проявляется в определенной направленности роста корня и стебля, в определенном направлении передвижения веществ. Она может обуславливаться неравномерным распределением зарядов. Верхушка побега заряжена положительно по отношению к основанию, сердцевина стебля — по отношению к поверхности.

Возникновение полярности может быть обусловлено разными причинами — как внешними, так и внутренними. Важно заметить, что поляризация может быть вызвана не только при неравномерном (одностороннем) воздействии того или иного фактора среды (света, температуры, земного притяжения), но и при неравномерном его восприятии. Так, под влиянием света пигменты, его воспринимающие, передвигаются к периферии цитоплазмы. Большое влияние на возникновение полярности имеет взаимодействие клеток. Возникновение полярности под влиянием окружающих клеток получило название «эффекта поля». Окружающие клетки могут оказывать эффект благодаря неравномерному химическому, механическому или электрическому воздействию.

Способность к регенерации определяется также поступлением питательных веществ и гормонов в тот или иной орган. Так, при расположении листа дорзальной (нижней) стороной к среде происходит преимущественно образование почек, а при расположении вентральной (верхней) стороной к среде, как правило, формируются корни. Это свидетельствует о поступлении различных веществ при разном расположении листьев, хотя, возможно, не последнюю роль здесь играет и полярность органогенеза. В целом, причины, вызывающие переход меристематических тканей к образованию корней или побегов, достаточно сложны и до конца не выяснены. Одной из возможных причин может являться различная гормональная регуляция этих процессов. Так, в первом случае (при расположении листовой пластинки дорзальной стороной к среде) в проводящую систему черешка из среды поступают цитокинины, ингибирующие корнеобразование и стимулирующие побегообразование. Во втором случае (листовая пластинка расположена вентральной стороной к среде) поступление цитокининов затруднено, что способствует ризогенезу.

2. Следующим фактором, имеющим значение в дифференциации клеток, является неравномерное деление. При неэквивалентном цитокинезе (даже неполяризованных клеток) (неравномерном делении цитоплазмы) цитоплазматические факторы распределяются неравномерно (ядро делится как обычно), что и вызывает дифференциацию дочерних клеток.

Так, при образовании устьиц делению клетки эпидермиса предшествует концентрация цитоплазмы и органелл на одной ее стороне. Затем, после обычного деления ядра, делится сама клетка. При этом образуется одна клетка меньшего, а другая большего размера. Меньшая по размеру клетка дает начало замыкающим клеткам устьиц.

Например, клетки ризодермы также делятся неравномерно. Меньшая клетка, богатая цитоплазмой, белком, РНК, получила название трихобласта. Именно она больше не делится, а образует вырост — корневой волосок. Неэквивалентное деление наблюдается и при образовании ситовидных элементов. При этом из одной материнской клетки образуются две дочерние клетки, из которых одна дифференцируется в элемент ситовидной трубки, а другая в клетку-спутницу.

3. Существует мнение, что отдельные ткани выделяют особые морфогенетические вещества, причем источником их является, в первую очередь, меристема. Доказательством этого служат исследования Торрея, согласно которым в меристеме корня присутствует стимул, вызывающий дифференциацию проводящей системы. Согласно его данным, одним из таких веществ, вызывающих дифференциацию, является фитогормон ауксин. Взаимовлияние тканей проявляется в явлениях, получивших название гомо - и гетерогенетической индукции. При гомогенетической индукции определенная ткань вызывает образование себе подобной. Это хорошо проявляется при срастании тканей, а также при культуре изолированных тканей. В последнем случае в тканях каллуса при соприкосновении с кусочком ксилемы возникает ксилема, а при соприкосновении с флоэмой — флоэма. При гетерогенетической индукции какая-то ткань или орган блокирует образование сходной ткани или органа. Это проявляется при образовании устьиц, которые возникают только на определенных расстояниях друг от друга. Последнее важно для регуляции испарения воды и поступления С0₂ в листья.

4. Для процесса дифференциации большое значение имеют поверхностные свойства клеток, т. е. «слипание» поверхностей. Адгезия обусловлена присутствием на поверхности клеток специфических белков — лектинов, способных к обратимому связыванию с углеводами. Лектины появляются в результате избирательной экспрессии генов на разных стадиях развития клетки. Именно эти соединения обеспечивают «узнавание» и взаимодействие клеток.

Так, лектин — углеводные взаимодействия лежат в основе связывания микроорганизмов-азотфиксаторов с определенным видом бобового растения. Кроме того, появились данные, что эти взаимодействия имеют значение в защите организма от болезнетворных микроорганизмов.

Согласно современным представлениям, адгезия клеток играет решающую роль в морфогенезе, или образовании определенной формы того или иного органа.

12 3 4 5 6 Следующая ⇒

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных