Высшие растения in vivo и in vitro

Мир растений определяет благополучие человечества. Известно, что 1,9 млрд т (99 %) употребляемого сухого вещества человечество получает из растений. Их широко используют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, при производстве тканей, бумаги, выработке энергии. Особый интерес представляет получение из растений различных химических соединений, биологически активных веществ (БАВ), из которых производят лекарственные препараты (фитопрепараты), химикаты для сельского хозяйства и пр.

Существенное повышение урожайности сельскохозяйственных культур в XX в. достигнуто за счет химизации, ме ханизации и мелиорации сельского хозяйства, что привело к загрязнению окружающей среды, истощению энергетических ресурсов, возрастанию затрат на единицу продукции. Приходится констатировать также, что повышение урожайности сельскохозяйственных культур данными методами в большинстве случаев достигло своего предела. Поэтому необходимо вести поиск новых подходов.

Наиболее перспективным в этом смысле является применение клеточной инженерии (клеточной и тканевой биотехнологии). Клеточная инженерия основана на использовании принципиально нового метода — метода изолированной культуры клеток эукариотических организмов (растений, животных). Выращивание изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах (in vitro) в стерильных условиях получило название метода культуры изолированных тканей.

Многочисленные факты и специально поставленные эксперименты показывают, что в процессе индивидуального развития и специализации растительных клеток генетическая информация в них не уменьшается. Все гены, как правило, сохраняются, и при соответствующих благоприятных условиях из каждой соматической клетки растения может развиться целый организм. Это явление называется тотипотентностью. В тотипотентности заключается отличие клеток растений от клеток высших животных, для которых способность восстанавливать целый организм невозможна.

Все паренхимные клетки растения, в каких бы тканях они ни находились, содержат полный набор генов, такой же, какой имела зигота. Но в каждой ткани действует только часть генов, связанная с дифференциацией данного типа клеток. Одни гены функционируют во всех клетках организма (например, гены, контролирующие дыхание, проницаемость мембран, синтез АТФ), другие — только в определенных. Каждая специализированная клетка характеризуется своим набором активных генов. Чем более специализированы клетки, тем меньше в них активных генов. Разные гены работают не только в различных клетках, но и в разное время, на разных стадиях развития особи. В однотипных клетках одной и той же ткани на разных стадиях развития организма непрерывно меняется набор активных генов. Одни гены включаются, синтезируя иРНК определенных белков, другие выключаются из этой работы.

Образование в процессе развития из однородных клеток зародыша разнообразных по морфологическим признакам и функциям типов клеток, тканей и органов называется дифференциацией. В основе дифференциации тканей лежат различия в активности генов. Центральная проблема онтогенетики — анализ действия гена при формировании признака и установление промежуточных звеньев в цепи «ген — признак».

В специализированных клетках работает ограниченная группа генов, тогда как большая часть их репрессирована. Но ДНК и гены во всех растительных клетках одинаковы, поэтому их активность должна определяться какими-то другими механизмами, включение которых не связано с действием генов. Такими механизмами активации генов являются различия в структуре Цитоплазмы, тканевая индукция и гормоны. Яйцеклетка созревает под контролем генов, определяющих разнокачественность частей цитоплазмы, что приводит к неравноценности продуктов первых делений, а при дальнейшем размножении клеток — к тканевой дифференциации. Затем в процесс вступает эмбриональная индукция: воздействие одних тканей зародыша на другие. Это воздействие выражается в активации новых генов. Предполагают, что клетки ранее образующейся ткани выделяют вещества, способные активировать работу генов, необходимых для дифференциации другой ткани, т. е. происходит тканевая индукция.

Гормональная регуляция — наиболее хорошо изученный механизм активации генов. Гормоны могут воздействовать на гены непосредственно или вызывать появление в цитоплазме каких-то специфических веществ, воздействующих затем на них. Проникая в клетку, гормоны воздействуют на комплекс «гистоны — ДНК» и активируют отдельные локусы.

Особую роль в дифференциации тканей играют гомеобоксовые гены, группы которых содержат одинаковые элементы — гомеобоксы. Они служат адресом для гормональных веществ-регуляторов, определяя одновременную активацию или репрессию целого семейства генов. У растений гомеобоксовые гены были открыты в 1980-х гг. Показано, что они контролируют порядок возникновения и специализации метамеров.

Таким образом, растительная клетка — это весьма сложное образование, которое включает в себя различные микроскопические и субмикроскопические структуры, отличающиеся высокой динамичностью, способностью закономерно изменяться под влиянием условий существования.

Растения являются продуцентами многих БАВ — соединений, способных оказывать влияние на биологические процессы в организме. К таким соединениям принадлежат сердечные гликозиды, сапонины, стерины, каротиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны, а также вещества, обладающие специфическим ароматом, вкусом и окраской.

Биологически активные вещества принадлежат к продуктам вторичного обмена, которые называют вторичными метаболитами или вторичными продуктами биосинтеза. В настоящее время известно более 100 тыс. вторичных метаболитов, продуцируемых растениями. Многие из них используются в фармакологической, косметической, пищевой промышленности и считаются экономически важными продуктами.

Лекарственные растения вносят значительный вклад в фармацевтическую промышленность, составляя около 25 % важнейших лекарственных средств.

Помимо открытия регуляторов роста растений, наиболее выдающимся событием стало открытие пиретринов. Пиретрины, выделяемые из цветков Chrysanthemum cinerariacfolium, являются мощными инсектицидами (уничтожающие насекомых). С природными пиретринами конкурируют синтетические, однако при применении последних появляется устойчивость к ним у насекомых, а также возникает кумулятивная токсичность.

«Тонкие химикаты» варьируют от простых соединений типа хинина до сложных смесей типа эфирных масел. Последние представляют собой типичные монотерпены, часто летучие соединения, составляющие основу производства ароматических соединений для отраслей, создающих ценные и дорогостоящие продукты.

Следует отметить все возрастающее внимание к миру растений как источнику химических соединений. Разработка нового синтетического лекарственного препарата обходится примерно в 100 млн долларов и занимает 10 лет, поэтому нетрудно понять возобновляющийся интерес к растениям как «фабрикам» для их синтеза.