Растительные клетки. 
БИОХИМИЯ Часть 2.

Культура растительных клеток является искусственно созданной биологической системой, функционирующей in vitro и сохраняющей многие черты, присущие интактному растению. Имеется два варианта функционирования таких систем: в виде каллуса, образовавшегося в процессе поверхностного культивирования, а также в виде суспензии клеток в результате глубинного культивирования. Каллус— весьма гетерогенное образование (рис. 31.2). Он представляет собой совокупность недифференцированных клеток, способных синтезировать некоторые метаболиты, присущие целому растению.

Суспензия клеток более гомогенна, чем каллус, и проявляет способность к более быстрому росту и адаптации. Перевод клеток в культуру является сильным стрессовым фактором, изменяющим многие стороны клеточного метаболизма. Прежде всего это касается функционирования генома. Гены выживания индуцируются, а гены, ответственные за дифференцировку, репрессируются.

Несмотря на некоторое снижение биосинтетической способности, культивируемые клетки растений синтезируют гораздо большее количество метаболитов по сравнению с микробными клетками.

Клетки растений, переведенные в культуру, являются прекрасной моделью для генетических и биохимических исследований, дающей возможность в ряде случаев получить уникальную информацию. Например, оценка синтеза и стабильности индивидуальных белков невозможна на целом растении, но легко осуществима на культуре клеток.

Что касается практической значимости этой модели, то можно выделить три основных направления.

• В результате слияния протопластов получение растений-регенерантов. При помощи ферментативного гидролиза разрушаются клеточные стенки и образуются «раздетые» клетки, или протопласты. Они способны к слиянию, и этот процесс называется парасексуальной гибридизацией растительных клеток. Индуктором слияния является полиэтиленгликоль, а образованные гибриды обрабатываются сильным щелочным раствором или диметилсульфоксидом. Техника слияния напоминает образование гибридов животными клетками, однако имеется существенное отличие. Слияние животных клеток позволяет получить только лишь новую клетку, а слияние протопластов является основой получения нового гибридного растения. Пapaceксуальная гибридизация посредством слияния протопластов дает возможность скрещивать филогенетически отдаленные виды растений, которые невозможно скрестить обычным половым путем, а также комбинировать родительские гены растений в различных вариантах (рис. 31.3).

Слияние двух типов протопластов происходит при их смешивании в присутствии полиэтиленгликоля. Смесь наносят на стекло и через 15 мин отбирают продукты слияния. Затем их культивируют на питательной среде, в результате чего происходит регенерация клеточной стенки и образуется гибридная клетка, а затем соматический гибрид.

Рис. 31.3. Слияние протопластов растений

• Получение первичных и вторичных метаболитов из культур растительных клеток. Из первичных метаболитов наибольшее практическое значение имеют ферменты растительного происхождения. Они менее токсичны по сравнению с микробными аналогами и, следоватсльно, нс требуют высокой степени очистки при их применении в промышленности и медицине.

Растительные клетки способны синтезировать несравненно большее количество метаболитов по сравнению с микробными клетками. Продукты вторичного обмена клеточных культур растений в ряде случаев не имеют аналогов и не могут быть получены методом органического синтеза. Таким образом, клеточный синтез растительных клеток играет уникальную роль при получении ряда всшествдля нужд промышленности и медицины. Первичные культуры клеток во многих случаях содержат небольшие количества вторичных метаболитов, имеющих прикладное значение. Поэтому необходимо оптимизировать условия культивирования, целенаправленно интенсифицировать синтез целевого продукта. Это осуществляется:

• — селекцией высокопродуктивных клеток и созданием клонов, синтезирующих тот или иной метаболит в количествах, сопоставимых или превышающих таковые в интактном растении;
• — шоковым воздействием на геном клеток в сочетании с введением в среду фитопатогенов;
• — посредством направленного мутагенеза;
• — при помощи генной инженерии.

Рис. 31.4. Получение соматических гибридов растений (по Н. А. Картель)

Многие продукты вторичного обмена культур клеток были получены в промышленных или лабораторных условиях. Например, сердечные гликозиды — из культуры ткани наперстянки, стероиды — из диаскореи дельтовидной, алкалоиды— из культуры ткани мака, а также из раувольфии змеиной и т. д., всего более ста веществ, имеющих существенное значение для промышленности и медицины. Основными проблемами, осложняющими получение целевых продуктов из культуры растительных клеток, являются создание генетически стабильных штаммов и выделение метаболитов из млечников или вакуолей, где они обычно накапливаются.

• При помощи методов генной инженерии создание клеток или растений-регенератов с новыми свойствами.

В последние годы достигнуты большие успехи, связанные с генетической трансформацией клеток, в том числе и растительного происхождения. Схема трансформации включает в себя получение протопласта, введение в него необходимой генетической информации, формирование полноценной растительной клетки, клонирование и регенерацию. (Подробно техника генно-инженерных экспериментов будет описана в следующем разделе.) В данной схеме «трансформированный протопласт — суспензионная культура — каллусная культура — целое растение» (рис. 31.4) — наиболее технически трудными для исполнения являются первый и последний этапы. Последняя операция представляется наиболее ценной и перспективной, так как дает возможность получить растения, в том числе и сельскохозяйственные, с новыми, заданными свойствами.