КУЛЬТУРЫ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ

История развития метода культур клеток и тканей растений

Первые попытки выращивания кусочков растений в искусственных условиях предпринимались еще в конце XIX века. Немецкие ученые Фехтинг, Рехингер и Хаберландт культивировали изолированные из растений кусочки тканей (экспланты) на растворах сахарозы. Экс- планты некоторое время оставались живыми, но растущей культуры тогда получить не удалось. В дальнейшем интерес к выращиванию клеток растений на питательных средах в стеклянных колбах или чашках (в стекле — in vitro) возникал неоднократно. Однако многочисленные усилия исследователей не привели к удачному подбору состава питательной среды, пригодной для выращивания изолированных тканей. Первый успех определила не удачно выбранная питательная среда, а удобный для выращивания в условиях in vitro объект. Только в 1932— 1934 гг., когда Готре во Франции ввел в культуру камбиальные ткани древесных растений и паренхиму мясистых корней и клубней, а Уайт в США разработал методы длительного выращивания в пересадочной культуре корневой меристемы, началось развитие методов культуры тканей растений. В течение последующих 20 лет их последователи ввели в культуру in vitro десятки видов растений.

В это же время были разработаны составы питательных сред и изучено значение их отдельных компонентов для поддержания роста тканей растений. Большое значение имело открытие американскими учеными Скугом и Миллером в 1955 г. нового класса стимуляторов роста растений — цитокининов. Полученный этими исследователями в результате щелочного гидролиза ДНК животного происхождения кинетин (|3-фурфурил-аминопурин) оказался способным в комбинации с (З-индолил-З-уксусной кислотой (ИУК) стимулировать деление клеток сердцевинной паренхимы табака, лишенной проводящих пучков и камбия. В последующих работах было показано, что, добавляя в питательную среду ауксины и цитокинины в разных соотношениях, можно стимулировать деление клеток экспланта, поддерживать рост каллусной ткани или индуцировать морфогенез.

Конец 50-х и 60-е годы XX века ознаменовались рядом блестящих открытий, существенно расширивших круг методов культуры тканей. Скугом была показана возможность регенерации растений в культуре изолированных клеток табака. Затем независимо друг от друга Бутенко в СССР, Рейнерт в Германии и Стюард с соавторами в США индуцировали в суспензии моркови соматический эмбриогенез и получили растения-регенеранты. В 1960 г. в Англии Кокинг разработал метод выделения изолированных протопластов из тканей растений путем обработки их смесью целлюлотических и пектолитических ферментов. Были подобраны условия для слияния протопластов с помощью полиэтиленгликоля с последующим восстановлением клеточной стенки и способности к делению. Так было положено начало развитию технологии соматической гибридизации. В этот же период был разработан метод культуры меристем (Моррель, 1959 г., Бутенко, 1960, 1964 гг.), позволяющий быстро и с высоким коэффициентом размножать растения. Оказалось, что растения, полученные из меристем, в ряде случаев свободны от вирусных инфекций. В 1967 г. Бутенко на женьшене и диоскорее и Стаба на наперстянке, тоже независимо друг от друга, показали, что лекарственные растения, введенные в культуру in vitro, способны к синтезу специфических вторичных соединений. Были получены суспензионные клеточные культуры многих видов растений, что позволило в дальнейшем перейти к крупномасштабному выращиванию клеток-продуцентов в специальных аппаратах — биореакторах. Открытие индийскими учеными Гуха и Магешвари в 1964 г. индукции андро- генеза при культивировании изолированных пыльников легло в основу технологии получения гаплоидов и дигаплоидов.

На протяжении 70-х годов было открыто явление сомаклональной изменчивости, разработаны методы индуцированного мутагенеза и клеточной селекции, имеющие большую важность для использования культур клеток при создании новых сортов сельскохозяйственных растений.

С 80-х годов начинается развитие методов генетической инженерии. В 1983 г. были опубликованы первые работы по получению трансгенных растений табака, содержавших в качестве чужеродных генов селективные маркеры устойчивости к антибиотикам и гены-репортеры. Это были чисто научные модели. Однако уже через три года начали проводиться первые полевые испытания сельскохозяйственных трансгенных растений, а спустя десять лет генетическая инженерия растений решительно заявила о себе, предложив рынку десятки экономически важных трансгенных растений.

Современное развитие биотехнологии связано с изучением биологии культивируемых клеток на молекулярном уровне. Основное внимание уделяется механизмам регуляции морфогенеза, генетической изменчивости. Одновременно ведется усовершенствование для достижения прикладных целей культивирования клеток, полученные результаты внедряются в сельское хозяйство и медицину.

В нашей стране инициатором и на протяжении многих лет куратором изучения культивируемых клеток растений была Р. Г. Бутенко. Так, в начале 60-х годов она поддержала цитогенетические исследования тканевых культур, которые позволили сформулировать ряд приоритетных представлений о генетической гетерогенности клеточных популяций и растений-регенерантов. Ею вместе с Н. А. Загорской и 3. Б. Шами- ной было впервые описано явление сомаклональной изменчивости. В 70-е годы Р. Г. Бутенко и Ю. Ю. Глеба начали исследования по слиянию протопластов и получению соматических гибридов. Вместе с А. А. Кучко она получила первый в мире соматический гибрид дикого и культурного картофеля. Этот гибрид затем использовался в селекционных программах, так как от дикого вида он получил митохондриальные гены устойчивости к вирусам. Р. Г. Бутенко уделяла большое внимание практическому использованию культивируемых клеток. Под руководством ее ученицы Н. В. Катаевой были разработаны методы микроклонального размножения более 10 сельскохозяйственных и декоративных видов растений. А производство биологически активных соединений с помощью культивируемых клеток растений вышло на промышленный уровень.

На начальном этапе становления биотехнологии растений в России, работы по культуре клеток в основном проводились в Институте физиологии растений Академии наук СССР. Затем во многих институтах и университетах стали организовываться группы специалистов, занимающихся клетками и тканями растений в культуре in vitro. Многие из них проходили обучение и стажировку в ИФРе под руководством Р. Г. Бутенко и ее сотрудников. Во многих городах сформировались сильные научные школы биотехнологов. В Киеве под руководством Ю. Ю. Глебы были получены блестящие результаты по соматической гибридизации. В Иркутске К. 3. Гамбургом и Н. И. Рекославской провелось исследование метаболизма ауксина в культивируемых тканях растений. В Новосибирске Л. А. Першиной выполнен ряд работ по отдаленной гибридизации злаковых растений с использованием метода эмбриокультуры. В Саратове под руководством В. С. Тырнова был детально изучен процесс получения гаплоидов. В С.-Петербурге в нескольких институтах начались исследования по морфогенезу и клеточной селекции. В Алматы создана комплексная биотехнологическая программа селекции злаков. Практически во всех научных центрах сейчас ведутся работы по генетической инженерии растений. Лаборатории биотехнологии появились и во многих прикладных институтах страны. Благодаря внедрению методов культуры тканей в селекцию были созданы новые сорта ячменя, риса, пшеницы, картофеля, моркови, малины и кормовых трав. Биотехнологию изучают во всех биологических и сельскохозяйственных вузах.

Таким образом, за 50 лет своего развития биология культивируемых клеток растений прошла огромный путь от первых исследований — создания системы «культуры клеток растений» до понимания мощного потенциала этой системы и создания на основе фундаментальных достижений нового направления — «Биотехнологии растений».