Полная версия

Главная arrow География arrow БИОТЕХНОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Вторичная дифференцировка, морфогенез и регенерация растений

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 тотипо- тентностью.

Совокупность процессов дифференцировки клеток с образованием специализированных органов и тканей объединяется понятием морфогенез в культуре in vitro.

Способность культивируемых тканей растений к морфогенезу (регенерационная способность) определяет развитие таких клеточных технологий как клональное микроразмножение, производство гаплоидов и дигаплоидов, эмбриокультура, соматическая гибридизация, клеточная селекция и генетическая инженерия. Низкая регенерационная способность многих линий и сортов является основным препятствием к широкому использованию культур клеток в биотехнологии.

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.

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 гем- могенез — образование почек, 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.

При органогенезе образуются монополярные структуры, т.е. стебель, корень или зачаток цветка (рис. 1.3). Началом процесса органогенеза является изменение типа деления в отдельной клетке или небольшой группе клеток. При неорганизованном типе размножения после деления наблюдается увеличение размера клетки, и только после достижения определенного размера одна или обе дочерние клетки приступают к следующему делению. Клетка, которая впоследствии даст начало зачаткам органов, делится по другому типу, напоминающему дробление зиготы. Деления быстро следуют одно за другим, группа мелких клеток, сначала окруженных общей оболочкой, потом свободных, образует меристематический очаг, в котором закладывается зачаток корня или стеблевого апекса (рис. 1.4).

Виды органогенеза

Рис. 1.3. Виды органогенеза:

а — образование побегов, б — образование корней, в — флоральный морфогенез

Верхушечная меристема побега (4) и корня (Б)

Рис. 1.4. Верхушечная меристема побега (4) и корня (Б):

1 — конус нарастания; 2 — зачатки листьев; 3 — зачаток боковой почки; 4 — чехлик, покрывающий меристематическую верхушку корня

Исследование клетки в процессе перехода к морфогенезу и во время ранних этапов развития структур с помощью цитохимических, радио- автографических и электронно-микроскопических методов показало, что в таких клетках усиливается синтез нуклеиновых кислот, белков и перестраиваются субклеточные структуры. Большая центральная вакуоль превращается в мелкие вакуоли, беспорядочно расположенные в цитоплазме, значительно увеличивается число рибосом и активируется аппарат белкового синтеза, увеличивается число и изменяется структура митохондрий, происходит перестройка цитоскелета клетки. При формировании организованных структур происходит усиление межклеточных связей, что подтверждается увеличением числа плазмо- десм, связывающих соседние клетки. Одновременно усиливается внутриклеточный и межклеточный транспорт веществ.

В исследованиях Скуга и его сотрудников, выполненных на каллус- ных тканях табака, была показана ключевая роль баланса ауксинов и цитокининов в индукции органогенеза. При равном содержании этих гормонов в питательной среде преобладает неорганизованный рост каллуса. Определенное превышение ауксина над цитокинином вызывает развитие корней, а обратное соотношение концентраций этих гормонов приводит к формированию почек и стеблевых побегов. В целом это положение оказалось верным при индукции органогенеза и для других видов растений, хотя конкретные концентрации и отношения гормонов могут варьировать. В качестве ауксинов для индукции органогенеза используют, как правило, НУК, ИУК или ИМК, а в качестве цитокининов — кинетин или БАП.

Чтобы регенерировать растение из морфогенного каллуса, сначала создают условия для образования стеблевых апексов и развития побегов, а затем переносят сформировавшиеся побеги на среду с преобладанием ауксина для развития корней. Таким образом, регенерация растений посредством органогенеза протекает как минимум в два этапа и требует смены питательной среды.

Одним из наиболее удивительных типов органогенеза в культуре тканей является образование не вегетативных почек, дающих начало стеблевым побегам, а цветочных почек — бутонов, из которых сразу или после образования одного-двух листочков появляются цветки.

При соматическом эмбриогенезе дифференциация культивируемых клеток приводит к образованию биполярной структуры — эмбри- оида, в котором присутствуют одновременно зачатки и стебля, и корня. Начинается соматический эмбриогенез с обособления некоторых клеток. Их клеточная стенка утолщается, плазмодесменные каналы закрываются отложениями каллозы. В результате ряда делений таких клеток образуются компактные группы клеток с плотной цитоплазмой и мелкими вакуолями, называемые проэмбриогенными массами (ПЭМ). Из клеток ПЭМ образуются зародыши (рис. 1.5). Соматические эмбриоиды проходят те же фазы развития, что и зиготические. Сначала формируется сферическая структура — глобулярный зародыш. Затем у двудольных растений следует стадия сердцевидного эмбриоида, на которой идет закладка семядолей, и зародыш приобретает форму сердца. На стадии торпедовидного эмбриоида происходит развитие стеблевого и корневого апексов, зародыш вытягивается и переходит в стадию проростка (рис. 1.6). У однодольных растений морфологические и физиологические преобразования соматических эмбриоидов также повторяют фазы развития зиготического зародыша.

Образование соматического зародыша из проэмбриогенных масс клеток

Рис. 1.5. Образование соматического зародыша из проэмбриогенных масс клеток

Стадии развития у зародыша двудольных растений

Рис. 1.6. Стадии развития у зародыша двудольных растений:

1 — глобула; 2 — «сердечко»; 3 — «Торпедо»; 4 — проросток

Образование соматических эмбриоидов, как и формирование стеблевых и корневых апексов, зависит от гормонов, однако характер гормональной индукции неодинаков. Детерминация клеток по зародышевому пути происходит под действием ауксина, при этом для большинства видов лучшим индуктором является 2,4-Д, а не ИУК или НУК. Присутствие 2,4-Д необходимо только до образования глобулы, дальнейшее развитие эмбриоида становится независимым от экзогенных регуляторов роста. Зародыш сам синтезирует необходимые гормоны. Присутствие в это время в среде 2,4-Д ингибирует развитие эмбрио- идов, вызывает их вторичную дедифференцировку с образованием каллусных клеток. Для получения растений из соматических зародышей следует исключать 2,4-Д из среды после индукции эмбриогенеза или существенно уменьшать концентрацию ауксина. Цитокинины при соматическом эмбриогенезе не играют ключевой роли, хотя и используются у некоторых видов растений для стимуляции отдельных стадий развития зародышей.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>