ФИТОГОРМОНЫ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ РАСТЕНИЙ

 

Фиторегуляторы занимают особое место в арсенале средств биотехнологии растений, поскольку являются главными инстру­ментами, позволяющими управлять процессами каллусообразования, дифференцировки, роста и развития растений-регенерантов.

Регуляция органогенеза. Гениальный физиолог растений XIX в. Ю. Сакс более ста лет назад, в 1880 г., предсказал на­личие регуляторных веществ, ответственных за дифференцировку и развитие основных органов растения — корня, стебля и листа, назвав их соответственно ризоколином, кауликолином и фолиоколином. Время во многом подтвердило справедливость таких взглядов, не поддержанных его современниками. Даль­нейшим развитием их стала теория флоригена, предложенная выдающимся отечественным исследователем М.Х. Чайлахяном. И хотя поиски флоригена еще не увенчались успехом, они пока-

 

 

342

зали правомочность этой теории, так же как и современные данные о регуляции развития и роста корня под действием ауксина, а побега — под действием цитокинина подтверждают справедливость взглядов Сакса.

В связи с развитием биотехнологии сельскохозяйственных растений значимость сведений о фитогормональной регуляции органогенеза неуклонно возрастает, поскольку именно фитогормоны являются основным инструментом при различных мани­пуляциях с культурами клеток и тканей растений.

Корнеобразование.Искусственное укоренение по­бега, листа или стебля широко применялось в растениеводстве во все времена, однако этот путь размножения был пригоден далеко не для всех случаев, трудоемок и дорог. Лишь с откры­тием ауксина в начале 30-х годов и его способности индуциро­вать образование адвентивных корней и стимулировать разви­тие корневой системы появилась возможность массового раз­множения практически всех видов растений черенкованием.

В настоящее время, несмотря на значительную модерниза­цию, суть данного способа размножения осталась неизмен­ной— обработка черенков аналогом ауксина перед высадкой на укоренение. Огромная работа по изучению процесса корнеобразования и определению оптимальных технологий черенкования проделана научной школой кафедры плодоводства ТСХА.

Образование адвентивного корня происходит из клеток кам­бия, причем строго в зоне сочленения его с сердцевинным лу­чом. Наиболее эффективно этот процес идет в период макси­мальной пролиферирующей активности камбиальной ткани. Формирование корня из клеток меристематической ткани де­терминировано генетически. Изменение транскрипции генетиче­ских программ, приводящее к ризогенезу, контролируется аук­сином, который после взаимодействия с определенным рецепто­ром и образования соответствующего гормон-рецепторного комплекса запускает систему ответа, приводящую к снятию ре-прессорной блокады с оперонов генов ферментов, изменяющих метаболизм и приводящих к корнеобразованию.

Не все синтетические аналоги ауксина обладают способно­стью индуцировать корнеобразование. Так, ризогенная актив­ность индолил-3-масляной (ИМК) и нафтилуксусной (НУК) ки­слот, синтетических аналогов ауксина значительно превышает то же действие настоящего природного фитогормона — ИУК. Это связано с большей стабильностью синтетических регулято­ров в клетке, обусловленной меньшим сродством их к фермен­там дезактивации гормона. В то же время, другой аналог аук­сина— 2, 4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д)—практи-

343

чески не способна вызывать ризогенез, и при длительном применении этого вещества обработанная ткань утрачивает способность к корневому морфогенезу.

Корнеобразующая активность синтетических ауксинов сти­мулируется при совместном применении с ними витаминов, в частности аскорбиновой кислоты, которая в этом случае, веро­ятно, действует как антиоксидант, препятствующий деструкции ауксина.

Значительное стимулирование корнеобразования дает пред­варительная обработка маточных растений ретардантами. Этот эффект показан на многих культурах: землянике, картофеле, яб­лоне, вишне, смородине, крыжовнике и др. Во всех случаях об­работка маточных растений перед срезкой черенков или выделе­ние меристем приводила к лучшему формированию корневой системы растения. Объяснение этого факта может быть связано с рядом причин, наиболее вероятной из которых является анта­гонизм между ауксином и гиббереллином в их влиянии на про­цесс корнеобразования. Ретарданты, являющиеся антигибберел-линами, изменяют соотношение гормонов в растении в пользу ауксинов, стимулируя тем самым  процесс ризогенеза.

Побегообразование.Органогенез побега главным образом контролируется другой группой фитогормонов — цито-кининами. Это показано на каллусной культуре практически всех растительных видов. Повышение уровня цитокинина в сре­де приводит к индуцированию закладки зачатков почек в кал­лусе. При направленном стимулировании формирования зачат­ков вегетативных почек в каллусе особое внимание следует уде­лять абсолютному уровню ауксинов и цитокининов в питательной среде и соотношению этих фитогормонов.

Внимания биотехнологов заслуживает альтернативность морфогенеза из каллуса: начавшийся корневой органогенез по­давляет формирование зачатков почек и наоборот.

Рис. 6.8. Схема совместного дейст- вия ИУК (2мг/л) и кинетика в концентрации (мг/л): 0 (1), 0,02 (2), 0,5 – 1 (3), 5 (4) на орга- ногенез каллуса табака

Участие цитокининов в регуля­ции органогеза у недифференци­рованной ткани каллуса табака было впервые показано Ф. Скугом и К.О. Миллером. В опытах с по­мощью ИУК и кинетина вызыва­ли образование у каллуса корней и побегов. Причем дифференциация каждого из этих органов тре-

бовала определенных   концентраций обоих фитогормонов (рис. 6,8).

344

Изменение концентраций цитокинина и ауксинина в среде позволяет направлять органогенез в сторону образования кор­ней или побегов. Так, при концентрации ауксина 2 мг/л и кине­тина 0,02—0,1 мг/л происходит ризогенез, а увеличение содер­жания кинетина в среде до 0,5—1 мг/л при неизменной концен­трации ИУК вызывает образование стеблевых почек.

Одним из частных случаев побегового органогенеза, имею­щим важнейшее значение для сельскохозяйственного производ­ства, является клубнеобразование. Этот процесс блокируется ауксинами, что допускает проведение параллелей с органогене­зом в каллусной культуре — как и в том случае, под действием повышенных доз ауксинов стимулируются корнеобразование и подавляется формирование клубней.

По мнению М.Х. Чайлахяна, получившим подтверждение других исследователей, фитогормональная регуляция клубнеоб-разования осуществляется гиббереллинами и абсцизовой кисло­той (АБК) в следующей последовательности: сначала под дейст­вием гиббереллинов стимулируется образование и рост столо­нов, а на следующем этапе под действием АБК рост столонов прекращается, при этом они утолщаются и формируют клубень на столоне. Обработка растений картофеля АБК существенно повышает урожайность за счет увеличения массы клубня.

Гормональная регуляция каллусообразования. Один из ос­новных этапов работы биотехнологов растений связан с получе­нием каллусной ткани из дифференцированных тканей листа, побега, корня. Основа получения каллуса — дедифференциров-ка растительных клеток экспланта, их возврат в меристемати-ческое, пролиферирующее состояние. Для этого должно про­изойти следующее: 1) модификация тех элементов структуры клетки, которые мешают процессу деления (прежде всего — ис-тоньшение толстой вторичной клеточной стенки); 2) экспрессия генов, ответственных за процесс митоза.

Каллусообразование происходит в растительном мире до­вольно широко. Открытые раны растений способны достаточно быстро затянуться каллусной тканью, которая впоследствии дифференцируется. В подавляющем большинстве каллус обра­зуется из меристематической ткани, главным образом камбия. При этом не возникает необходимость в модификации клеточ­ной структуры.

При получении каллуса invitro часто применяется посадка экспланта на питательную среду с высоким содержанием син­тетического аналога ауксина — 2,4-Д, который стимулирует процесс дедифференцировки. Механизм такого стимулирования можно объяснить регуляторными эффектами ауксина: актива-

345

цией протонной помпы и связанного с ним истоньшения клеточ­ной стенки за счет эффекта «кислого роста», индукцией синтеза ряда ферментов, вызывающих частичный гидролиз клеточной стенки, а также индукцией репликации ДНК. Кроме того, сле­дует отметить, что именно 2,4-Д способен также стимулировать деление клеток по способу действия цитокинина, стимулируя синтез нуклеиновых кислот.

При длительном пассировании каллусной ткани возможно ее перерождение в опухолевую, т. е. ткань, рост которой не кон­тролируется организмом. Причина этого явления заключается в приобретении способности синтезировать фитогормоны (аук­сины и цитокинины), необходимые для ее деления внутри себя, а не получать их от других органов. Опухолевая ткань в куль­туре invitro, не реагирующая на изменение концентрации фитогормонов во внешней среде, называется гормоннезависимой или «привыкшей».

Явление приобретенной гормоннезависимости существенно ограничивает возможности биотехнологии растений, поскольку клетки тканей, обладающие данным свойством, практически не способны к дифференцировке, а следовательно, и к регенерации целого растения. Изучение причин и механизмов приобретения гормоннезависимости крайне важно, поскольку может дать ключ не только к решению проблем сельскохозяйственной биотехноло­гии, но и к лечению онкологических заболеваний человека.

В норме клетки проходят митоз, после чего вступают в ста­дию G₍₎, на которой и происходит дифференцировка и клетка приобретает специализацию. В случае опухолевых клеток в гор-моннезависимых каллусных тканях клетки бесконечно проходят клеточный цикл и не переходят к стадии G„. На примере прока­риот (дрожжей) показано, что клеточный цикл строго контроли­руется геномом, Переключение блоков генов «cdc» включает ту или иную стадию цикла. Выход из клеточного цикла в стадию G₀ контролируется специальными rest-генами. Механизм регуля­ции клеточного цикла у эукариот много сложнее и обусловлен связыванием ДНК с гистонами, белками-репрессорами, метили­рованием регуляторных участков ДНК и рядом других причин.

Среди генов, обеспечивающих клеточный цикл, важное ме­сто занимают гены ферментов синтеза фитогормонов — аукси­на и цитокинина. В целом растении нет ни одного органа, где бы происходил синтез этих фитогормонов,— меристемы побега, продуцирующие ауксин, нуждаются в цитокинине, синтезируе­мым меристемами корня, и наоборот. Соответственно, ни одна меристема не может в норме обеспечить себя регуляторными веществами для бесконечного поддержания клеточного деле-

 

346

ния. Приобретение такой способности при длительном пассиро­вании каллусной ткани делает ее бесконечно делящейся.

Возможные подходы к преодолению гормоннезависимости каллуса при длительном пассировании могут быть связаны с блокированием синтеза избыточного количества как фитогормо­нов, так и их рецепторов. Очень интересные результаты по ин­дукции морфогенеза ауксиннезависимого каллуса табака полу­чены немецкими исследователями, показавшими, что при вве­дении в гормональную среду других фитогормонов — брассино-стероидов каллус приобретает способность к образованию эмбриоидных структур. Эмпирически был найден и другой путь повышения морфогенной способности каллуса при пассирова­нии — включение в питательную среду азотнокислого серебра, блокирующего образование этилена.

Регуляторная подготовка материнских растений. Сравни­тельно новым направлением фиторегуляции в биотехнологии растений является подготовка маточных растений, позволяю­щая значительно повысить эффективность ряда операций. Впервые этот прием разработан в лаборатории регуляторов роста и развития сельскохозяйственных растений ТСХА для по­вышения приживаемости апикальных меристем картофеля и некоторых плодовых пород при их оздоровлении и микроклональном размножении.

Суть данного приема заключается в предварительной обра­ботке материнских растений ретардантами, главным образом, хлорхолинхлоридом. При этом подавляется биосинтез гиббереллинов, что обусловливает некоторое сокращение осевого вегета­тивного роста. При пересадке на искусственную питательную среду такие меристемы гораздо лучше приживаются.

Улучшение приживаемости меристем при предварительной обработке маточных растений ретардантами, по-видимому, свя­зано с изменением гормонального статуса в сторону подавле­ния гиббереллинов, являющихся антагонистами ауксина при ризогенезе. Другим объяснением может быть тот факт, что при обработке маточных растений ретардантами образуется мери­стема более плоской формы, что обеспечивает больший контакт экспланта с питательной средой.

Наряду с достоинствами данного приема, следует отметить и весьма существенный недостаток — повышение вероятности заражения вирусной инфекцией.

Принцип предварительной обработки маточных растений для получения желаемых признаков культуры invitro можно использовать для снятия апикального доминирования и ряда других эффектов.

347

Получение трансгенных растений с измененным гормо­нальным статусом. Процесс получения трансгенной раститель­ной ткани с измененным фитогормональным статусом происхо­дит в природе без вмешательства человека. В ходе эволюции у двух видов агробактерий ( Agrobacteriumtumifaciensи А. rizogenes ) сформировался очень интересный паразитический механизм, позволяющий им не только синтезировать необходи­мые белки, используя генетический аппарат растения-хозяина, но и обеспечивать постоянный приток пластических веществ, дедифференцировку и пролиферацию зараженных клеток.

Основа паразитического механизма агробактерий — введе­ние в растительную клетку плазмиды, встраивающейся в хро­мосомную ДНК растения и содержащей наряду с генами спе­цифических бактериальных белков (наполина и октапина) гены ферментов синтеза фитогормонов — ауксина и цитокинина. При этом уровень этих гормонов повышается, специализиро­ванная растительная клетка дедифференцируется и бесконечно делится, образуя галл при заражении A . tumifaciensи множе­ство нитевидных воздушных корней при заражении А. rizogenes . Значительный интерес представляют новейшие науч­ные данные, свидетельствующие о том, . что при внедрении плазмиды в геном растения-хозяина подавляется синтез фито­гормонов, ранее присущих данной клетке.

На основе плазмид агробактерий созданы векторные систе­мы для переноса генов в хромосомный геном растения.

В настоящее время работы в области генетической инжене­рии растений связаны главным образом с получением исходных форм, обладающих устойчивостью к гербицидам, патогенам или насекомым-вредителям. Такая достаточна узкая направленность обусловлена, в основном, двумя причинами. Во-первых, прида­ние растениям вышеперечисленных свойств значительно сокра­щает необходимость применения ядохимикатов и следовательно, обеспечивает большую экологическую безопасность растениевод­ства; а во-вторых, уровень развития генетической инженерии растений сегодня позволяет вводить в растительный геном и до­биваться экспрессии лишь крайне ограниченного числа генов.

В практике промышленного растениеводства бывает крайне важно получить растение не только высокопродуктивное и ус­тойчивое, но и имеющее определенный характер роста, что дела­ет его приспособленным к погодным и агротехническим услови­ям выращивания и сельскохозяйственной технике. Особое значе­ние это имеет при механизации процессов уборки урожая. По всей видимости, в подобных ситуациях перспективно управлять фитогормональным статусом, увеличивая или уменьшая продук-

 

348

цию того или иного фитогормона за счет изменения «дозы» генов ферментов его синтеза или за счет замены промотора.

В связи с очевидной перспективностью создания растений с измененным фитогормональным статусом эта работа активно проводится во многих лабораториях мира.

Применение фиторегуляторов в биотехнологиях переработ­ки растительной продукции. Фиторегуляторы применяются в других отраслях производства, основой которых является куль­тивирование растений или переработка растительной продук­ции— в пищевой, микробиологической и фармацевтической промышленности. Так, при получении ячменного солода часто используют обработку прорастающего зерна гиббереллином, что повышает активность α-амилазы и обеспечивает более пол­ное использование растительного сырья.

Современные биотехнологии получения ряда важных лекар­ственных и микробиологических препаратов включают в себя этапы глубинного культивирования клеточных суспензий. Как правило, фиторегуляторы являются необходимым компонентом питательных сред, а оптимизация их концентраций в среде спо­собна значительно повысить выход необходимого продукта за счет изменений метаболизма.

 

 

---

Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 501; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!