АКТИНОРИТМИЗМ У РАСТЕНИЙ В ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Выделяют два типа культивируемых растительных клеток: нормальные и опухолевые.

Опухолевые клетки морфологически мало отличаются от каллусных. Физиологическим различием является гормононезависимость опухолевых клеток. Благодаря этому свойству опухолевые клетки делятся и растут на питательных средах без добавок фитогормонов. Эти клетки также лишены способности дать начало нормально организованным структурам (корни, побеги) в процессе органогенеза. Иногда они образуют тератомы (уродливые органоподобные структуры), дальнейшее развитие которых невозможно.

Нормальные клетки в культуре могут существовать в двух видах: в виде суспензии в жидкой питательной среде и на поверхности твердой питательной среды в виде каллуса. Поверхностное культивирование осуществляют на полужидкой агаризованной среде, среде с добавлением других желирующих полимеров, на дисках из полиуретана, на мостиках из фильтровальной бумаги, полупогруженных в жидкую питательную среду. Можно также использовать комочки ваты, пропитанные питательной средой, которые сверху покрываются кусочком фильтровальной бумаги.

Каллусная ткань, выращиваемая поверхностным способом, представляет собой аморфную массу тонкостенных паренхимных клеток, не имеющую строго определенной анатомической структуры. Цвет массы может быть белым, желтоватым, зеленым, красным. В зависимости от происхождения и условий выращивания каллусные ткани бывают:

- рыхлые, сильно оводненные, легко распадающиеся на отдельные клетки;

- средней плотности, с хорошо выраженными меристематическими очагами;

- плотные, с зонами редуцированного камбия и сосудов. Как правило, в длительной культуре на средах, содержащих ауксины, каллусные ткани теряют пигментацию и становятся рыхлыми.

В цикле выращивания каллусной ткани клетки после ряда делений приступают к росту растяжением, дифференцируются как зрелая каллусная ткань и деградируют. Для того, чтобы не произошло старения, утраты способности к делению и дальнейшему росту, а также отмирания каллусных клеток, первичный каллус переносят на свежую питательную среду через 28 - 30 дней, то есть проводят пассирование или субкультивирование каллусной ткани.

Неорганизованно растущая каллусная ткань характеризуется тремя типами клеток: мелкими, средними и крупными. При пассировании ткани на среду, содержащую индукторы органогенеза, мелкие клетки приступают к делению и формируют меристематические очаги. Деление клеток меристематического очага приводит либо к формированию почек и последующему развитию из них побегов (геммогенез), либо к ризогенезу.

Клетки меристемы с самых ранних стадий развития отличаются от каллусных высоким содержанием РНК и белка. При образовании соматических эмбриоидов каллусная клетка средних размеров обособляется, ограничивается плотной оболочкой, теряет крупные вакуоли. Она содержит крупное структурированное ядро с ядрышком. Клетка делится митотически, в результате чего возникают 2 клетки проэмбрио. Последующие деления клеток приводят к формированию шаровидного зародыша, а также органа, аналогичного суспензорам в зародышевом мешке семяпочки. Дальнейшее развитие соматического эмбриона через ряд стадий ведет к регенерации целого растения с корнями и побегами, так как в этом случае формируется биполярная структура.

Каллусы с высоким морфогенетическим потенциалом обычно матовые, компактные, структурированные, имеют зеленые хлорофиллсодержащие участки, которые представляют собой зоны морфогенеза. Впоследствии там формируются побеги или растения-регенеранты. В культуре также встречаются каллусы рыхлые, не имеющие глобулярного характера. Такие каллусы либо совсем не способны к органогенезу, либо формируют только корни. Появление корней свидетельствует о сдвиге гормонального баланса в сторону ауксинов, что препятствует образованию побегов. Эти каллусы могут остаться ризогенными, и регенерировать из них растения не удастся. Неморфогенные каллусы могут быть переведены в суспензионную культуру для получения вторичных метаболитов.

Переход специализированных неделящихся клеток к пролиферации связан с их дедифференциацией, другими словами — утратой специализации. В основе этого процесса, как и при дифференциации клеток в интактном растении, лежит дифференциальная активность генов. Структура и функции клеток определяются активностью генов, и если клетки различаются по своей структуре и функциям, то это обусловлено различиями в экспрессии их генов, то есть специализация обеспечивается «включением» разных генов в разных клетках. Обычно активна небольшая часть (5%) всего пула генов, свойственных данному виду. В этот состав активных генов входят, кроме видоспецифичных и обязательных для поддержания клеточного метаболизма, гены, активные только в данном органе, ткани, клетке, а также гены, активные лишь в определенном возрасте или начавшие работать только под влиянием изменившихся внешних условий.

Возникновение физиологических и структурных различий между клетками и тканями растений, связанное с их функциональной специализацией, называют процессом дифференциации.

У растений почти всякая дифференциация обратима при условии, если дифференцированная клетка живая, в протопласте сохранилось ядро и не образовалась вторичная оболочка. Даже такие высокоспециализированные клетки, как микроспоры, с помощью ряда экспериментальных процедур можно заставить пролиферировать и дать начало целому растению. Итак, в определенных условиях многие из зрелых растительных клеток сохраняют способность делиться, а в некоторых случаях даже вступить на новый путь развития. Однако вопрос о том. как это происходит, какие события на молекулярном уровне сопровождают этот процесс, остается открытым.

Таким образом, после деления перед каждой дочерней клеткой открывается одна из трех возможностей. Клетка может оставаться эмбриональной и вновь вступить в клеточный цикл с последующим митозом либо может оказаться как бы «вне цикла» (Go), перестав делиться, и наконец, приобретя компетенцию, постепенно детерминироваться и вступить на путь дифференцировки (специализации). Компетенция — способность клетки воспринимать индуцирующее воздействие и специфически реагировать на него изменением развития.

МОРФОГЕНЕЗ РАСТЕНИЙ

Реализация генетической программы клетки в культуре in vitro происходит в результате морфогенеза- заложения, роста и развития органов, тканей и клеток у растений. Соматическая клетка обладает тотипотентностью, то есть способностью полностью реализовать свою программу развития и дать начало целому растению. В процессе дифференциации клеток и тканей растения между ними возникают физиологические и структурные различия, связанные со специализацией. В организме эти процессы происходят в онтогенезе от образования зиготы до естественной смерти.

Дифференцировкой называют превращение эмбриональной клетки в специализированную. После окончания роста растяжением отдельные клетки развиваются разными путями.

Когда дифференцировку клеток изучают по морфологическим признакам, тогда говорят о дифференцировке структурной. Когда разговор идет о формировании в клетках отличий в составе белков-ферментов, в способности к синтезу запасных или других веществ и других биохимических изменениях, дифференцировку называют биохимической.

Дифференцировка клеток приводит к возникновению как специфической формы, так и специализации выполняемых функций. Различают и физиологическую дифференцировку (разница между корнями и побегом, между вегетативными и репродуктивными фазами жизненного цикла).

Как правило, дифференцированные клетки объединены в ткани, т. е. образуют группы клеток, выполняющих определенную физиологическую функцию и имеющих схожее морфологическое строение, обеспечивающее реализацию этой функции.

Существуют разные классификации типов дифференцированных клеток, одну из них можно представить в следующем виде:

• паренхимные, характеризуемые большими размерами, тонкими оболочками, содержанием хлоропластов или запасных веществ;

• проводящие и поддерживающие — все клетки этой группы вытянуты, часть из них сильно лигнифицирована, представлена трахеидами, сосудами и волокнами. Живое содержимое в них почти отсутствует;

• покровные — обычно находятся на поверхности и покрыты водонепроницаемыми веществами (воском, кутином, суберином). К ним относится эпидермис, ризодермис и перидерма;

• репродуктивные, образующиеся в определенные периоды жизненного цикла растений, из которых потом формируются гаметы, необходимые для полового размножения высших растений.

В индукции дифференцировки первыми шагами служит возникновение полярности. Полярность индуцируется градиентом какого-либо фактора окружающей среды. Фактор может иметь физическую (свет, сила тяжести, электрическое ноле, температура) или химическую (фитогормоны, ионы Са2+) природу.

В многоклеточном организме значительную роль в дифференцировке играет передача информации между клетками. У растений наиболее изучена гормональная передача информации и в меньшей мере электрофизиологический способ передачи информации. Начав дифференцироваться, клетки не только изменяются по структуре, но и занимают определенное место в ассоциации себе подобных, образуют протканевую структуру. Соседство клеток одна с другой обеспечивает программу дифференцировки и рост клеточной ассоциации. Контакты растущих клеток в протканевых фрагментах происходят не только за счет поверхностных агентов, но и при участии внутриклеточных компонентов. Большую роль при этом играют микротрубочки, состоящие из подобного актину белка — тубулина.

Сформировав нротканевую структуру, клетки начинают свое кооперативное движение: пласт клеток перемещается один относительно другого, образуя первичную ткань.

Дифференцировка клеток во вновь образованной ткани происходит в два этапа. Сначала формируется одна из специализированных клеток, затем возникают ей подобные. Большую роль в процессе тканевой дифференцировки играют фитогормоны.

В растущем органе, каким является, например, лист, формирование тканей происходит неодновременно. Прежде всего клеточное деление заканчивается в эпителиальной и проводящей тканях, затем наступает процесс активного клеточного растяжения и дифференцировки. После этого подобные процессы происходят в мезофилле листа.

Формирование органа, таким образом, происходит за счет последовательной дифференцировки отдельных тканей. Однако конечный размер органа — комплексный результат роста его отдельных тканей и клеток, т. е. размер и форма органа предопределяются в меристеме.

Если коротко отметить, то дифференцировка растительных клеток включает в себя индукцию полярности и дифференциальной активности генов, в результате клетка детерминируется и приобретает черты специализации. В качестве индукторов дифференцировки, как отмечалось, выступают как физические, так и химические факторы внутренней и внешней среды. Причем каждая клетка непрерывно получает информацию о своем окружении и развивается в соответствии с этой информацией.

Детерминация — это определение пути дифференцировки клетки. При детерминации делается выбор из большого количества потенций (генов, информации) в определенном направлении. Детерминация клетки может быть запрограммирована или возникает под воздействием разных внешних факторов: соседних клеток, гормонов и т. д.

Важную роль в детерминации будущей дифференцировки играет клеточное окружение. Пересадка одной клетки из группы эмбриональных клеток в область со специфическими функциями может полностью изменить будущую программу развития этих клеток. Особенно хорошо эти опыты удаются с зародышами насекомых. Так, клетки будущего глаза превращаются в клетки крыла насекомых и т. д.

Растениям принадлежат интенсивные регенерирующие способности. Черенок в определенных условиях способен давать целое растение, но такой же регенерирующей способностью обладает лист (листовой черешок) и, наконец, часть клетки — протопласт. Проходя через ряд промежуточных фаз, протопласты становятся клетками, регенерируя оболочку.

Все органы растительного организма взаимосвязаны и влияют на рост друг друга. Влияние одних частей организма на скорость и характер роста других, часто на большие расстояния, называют корреляцией. Корреляция обусловливает упорядоченную взаимозависимость отдельных частей (метения. Корреляции можно сравнить с отношениями между клетками, перенесенными на уровень тканей и органов.

Включая в себя дальний транспорт, корреляции связаны с действием гормонов (хотя не каждая корреляция имеет гормональный характер). Простейший пример корреляции ускорение роста в зоне растяжения колеоптиля ауксином, поступающего из его верхушки.

Только в редких случаях один гормон имеет решающее значение для корреляции, а чаще всего необходимо количественное со отношение нескольких гормонов. В полярных, однонаправленных воздействиях почти всегда участвует полярно транспортируемый ауксин.

Имеет место как коррелятивная стимуляция, так и коррелятивное торможение. В первом случае растение с более мощной корневой системой благодаря большему поступлению питательных веществ имеет и лучший рост побегов; побег влияет на корень, поставляя ему ауксин, а корень действует на побег при помощи цитокининов и гиббереллинов. Во втором случае размер плодов уменьшается с увеличением их количества; апикальное доминирование — верхушечный побег тормозит развитие боковых; удаление верхушечного побега приводит к развитию боковой почки, т. о. происходит разветвление стебля.

В культуре in vitro морфогенез имеет свою специфику. Эта специфика связана в первую очередь с вычленением экспланта и выходом его из под контроля всего организма. Включается программа развития, приводящая к регенерации из группы клеток и тканей целого растения.

1) Соматический или неполовой эмбриогенез – образование биполярных зародышеподобных структур из соматических клеток. Такие зародыши в дальнейшем развиваются в регенеранты через стадии аналогично зиготе.

2) Органогенез - образование монополярной структуры, т.е. отдельных органов из меристем (корней, стеблей, реже цветков или листьев).

Эмбриогенез или органогенез может происходить непосредственно в ткани экспланта (прямой) или через стадию каллуса (непрямой).

Оба этих процесса зависят от ряда факторов, главными среди которых являются генетические особенности вида, физиологическое состояние растения и тип экспланта, химические и физические условия культивирования.

АКТИНОРИТМИЗМ У РАСТЕНИЙ В ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Актиноритмизм –специфическая реакциярастения на длину дня и смену дня и ночи, света и темноты (фотопериодизм). По признаку атиноритмизма выделили три группы растений: длиннодневные, у которых цветение не наступает или задерживается при короткой длине дня — менее 12 ч; короткодневные, у них цветение не наступает или задерживается при длине дня более 12 ч (длинный день); нейтральные, или промежуточные,— цветут при длинном и коротком дне но общая продукция цветков и плодов у них все же зависит от соотношения длин дня и ночи,— то уменьшаясь, то увеличиваясь. Для развития разных видов имеют значения определенные критические максимумы и минимумы продолжительности дня, за пределами которых эти растения уже не развиваются. Иначе говоря, те виды, которые предпочитают период больше определенного критического минимума, можно назвать длиннодневными, а те, которые нормально цветут и плодоносят, когда фотопериод меньше критического максимума, короткодневными. Но все же для большинства коротко- и длиннодневных видов этот период лежит в пределах 12—14 ч.

Фотопериодизм накладывает свой отпечаток на морфологию. Чередование света и темноты служит определенным стимулом для развития растений, перехода их к репродукции. У одних растений на этот стимул реагируют листья, у других — спящие почки.

У короткодневных растений день, более длинный, чем определенный критический период, вызывает увеличение вегетативной части (гигантизм) и подавление цветения. Для растений этой группы характерно следующее: чем короче критический период, тем короче и жизненный цикл. Например, коротко дневная соя при 12-часовом фотопериоде зацветет на сотый день, а при 5-часовом — на тридцать седьмой.

У длиннодневных растений, выращиваемых при длине дня короче, чем критический период, укорачиваются междоузлия, и растения даже принимают розеточную форму, к тому же при этом подавляется цветение и плодоношение. Деревья умеренной зоны неизбежно проявляют периодичность роста, коррелирующего с внешними условиями, особенно с цикличностью света и тепла. У некоторых древесных и кустарниковых растений длина дня определяет сбрасывание листьев и начало периода покоя.

Поскольку усиление роста стебля как бы противоположно цветению и максимальному накоплению запасных веществ, то короткодневные растения (лук, свекла) образуют самые большие запасающие органы при более длинном дне. С другой стороны, картофель лучше образует клубни, когда длина дня (например осенью) ниже оптимальной для роста стебля и развития. Фотопериод иногда определяет анатомическую структуру вегетативных органов, степень ветвления, дольчатость листа, зимостойкость, стойкость к паразитам, прорастание и другие процессы.

Критическая длина дня для длиннодневных растений может сокращаться при понижении температуры: при низких температурах длиннодневным растениям необходим более короткий день, чтобы зацвести. Однако температура может оказать и иное влияние. Если влажные семена короткодневного проса выдержать 5—10 дней при повышенной температуре, например 27—29°, то отпадет необходимость в коротком дне. Позднецветущие осенние растения умеренной зоны, у которых цветение связано с короткими осенними днями, в горах, при понижении температуры, зацветают раньше, приближаясь по срокам цветения к летнецветущим, т. е. к длиннодневным растениям.

У растений, размножающихся вегетативно, длина дня определяет соотношение между сезонными изменениями и накоплением запасных веществ.

Актиноритмические исследования процессов репродуктивного развития растений прежде всего показали, что имеется немало видов, у которых данные процессы успешно протекают при постоянных световых режимах, т. е. не нуждаются в актиноритмах. Это означает, что переход к цветению таких растений при непрерывном освещении не является актиноритмической реакцией. Сюда можно включить растения, относящиеся по общепринятым представлениям как к длиннодневным, так и к нейтральным. Однако они резко отличаются друг от друга тем, что одни виды могут цвести и при достаточно коротких днях (нейтральные), а другие (длиннодневные) не могут. Первые вообще не реагируют на актиноритмические режимы переходом от роста к цветению. В этом отношении они действительно нейтральны. В их актиноритмические реакции не входит физиологический процесс, определяющий возможность образования органов плодоношения.

У растений же, называемых длиннодневными, актиноритмическая реакция, определяющая сроки репродуктивного развития, выражается задержкой или вообще устранением процессов образования органов плодоношения определенными актиноритмами, различными у разных видов. Общим для всех растений, входящих в эту группу, является отрицательная роль определенных суточных периодов темноты, тормозящей половое воспроизведение.

Полную противоположность этим никтофобным растениям представляют так называемые короткодневные — никтофильные виды, которые не могут цвести при непрерывном освещении, так как для перехода от роста к репродукции им необходимы актиноритмы с определенными сочетаниями света и темноты. Причем очень часто одни и те же актиноритмы у никтофильных форм вызывают цветение, а у никтофобных — делают его невозможным. Эти виды обладают отрицательной, в то время как никтофильные — положительной актиноритмической репродукционной реакцией.

Таким образом, основной признак, по которому до сих пор классифицируется актиноритмическая принадлежность растений к той или иной группе, — переход от роста к репродукции — у ряда видов полностью отсутствует, ибо данный процесс вообще не регулируется актиноритмами. Это явление, во-первых, сразу же свидетельствует о полной несостоятельности классифицирования по указанному признаку актиноритмических групп растений и, во-вторых, позволяет предполагать, что все растения разделяются на две основные группы: реагирующих и не реагирующих по репродуктивному развитию на актиноритмические режимы. Следовательно, такая важная актиноритмическая реакция, как цветение, не является общей для всех растительных организмов.

Растения же, обладающие актиноритмической репродуктивной реакцией, в свою очередь, могут быть отнесены к двум противоположным группам. Одна из них, как говорилось ранее, обладает положительной, а другая — отрицательной актиноритмической реакцией, т. е. у одних растений определенные актиноритмы способствуют переходу от роста к формированию органов плодоношения, а у других — наоборот, делают эти процессы невозможными.

Необходимо помнить, что далеко не все растения, обладающие никтофильными процессами, можно выращивать при таких коротких днях, как 12- и даже 10-часовой. Напротив, среди короткодневных по цветению видов есть немало таких, у которых цветение скорее всего и начинается при достаточно коротких днях, но при этом сильно сокращается образование растительной массы и они остаются карликовыми. Характерным представителем таких растений может быть уральская шандра гребенчатая (Elsholtzia patrini) из семейства губоцветных. Если выращивать ее при электрическом освещении, начиная с непрерывного и кончая 8-часовым днем, то этот вид зацветает раньше всего при 8—10-часовом дне, имея всего по две пары листьев. Естественно, что такие растения дают очень мало и семян, и всей растительной массы. Начиная с длины дня 16 ч и выше шандра уже не переходит к цветению и остается в вегетативном состоянии. Зато в этих условиях она накапливает значительно большую вегетативную массу.

Выращивая короткодневные растения особенно в условиях электрического освещения, даже ради семян, следует пользоваться или 14-часовым днем, или же, что может быть выгоднее, вначале некоторое время поддерживать длинный, например 20-часовой день, а затем уже 8-часовой. Тогда удастся достаточно быстро получить хороший урожай семян с меньшими затратами электроэнергии.

Среди никтофильных по цветению растений встречаютсявесьма узкоспециализированные формы, переходящие к репродукции только при строго определенных суточных сочетаниях света и темноты с интервалами, лежащими в пределах 1—2 ч. Выделение таких разновидностей возможно только при выращивании их под воздействием наиболее разнообразных суточных сочетаний света и темноты.

Растения, обладающие актиноритмическими реакциями, как положительными, так и отрицательными, характеризуются оптимальными и критическими актиноритмами, причем на границе между ними решают судьбу актиноритмической реакции крайне узкие интервалы.

Мы поможем в написании ваших работ!