БИОЛОГИЯ КУЛЬТИВИРУЕМОЙ КЛЕТКИ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

В результате изучения учебного материала данного раздела обучающиеся должны:

знать

  • • строение растительной клетки;
  • • различия между прокариотами и эукариотами;
  • • принцип тотипотентности;
  • • сущность и задачи клеточной инженерии растений;
  • • направления исследований клеточной инженерии растений;
  • • объекты и методы исследований в клеточной инженерии растений;
  • • технику культивирования первичных эксплантов на искусственных питательных средах;
  • • компоненты питательных сред для культивирования изолированных клеток и тканей растений;
  • • способы получения стерильной культуры;

уметь

  • • готовить питательные среды и правильно подбирать состав субстрата для культивирования изолированных эксплантов in vitro;
  • • работать в ламинар-боксе и получать стерильную культуру изолированных клеток и тканей растений;

владеть

  • • техникой приготовления питательных сред;
  • • техникой работы в ламинар-боксах.

БИОЛОГИЯ КУЛЬТИВИРУЕМОЙ КЛЕТКИ

Считается, что развитие клеточной биотехнологии стартовало в начале XX в., когда Г. Хаберландт выдвинул гипотезу о тотипотент- ности. Совершенствование технологий культивирования клеток, тканей и органов растений на искусственных питательных средах привело к образованию таких направлений исследований, как соматическая гибридизация, клональное микроразмножение растений, культивирование генеративных частей растений in vitro с целью получения гаплоидных растений, криосохранение, клеточная и тканевая селекция, культура изолированных зародышей и др.

Клетка является одной из основных форм существования жизни. В ней происходят все физиологические процессы, присущие как одноклеточным, так и многоклеточным организмам, рост и размножение которых связаны с образованием новых клеток. В целом организме все клетки разнообразны. Они различаются по форме, величине, степени дифференциации и определенным функциям, выполняющимся в целом организме.

Роль отдельных клеток в многоклеточном организме подвергалась неоднократному обсуждению и критике. Например, Т. Шванн представлял себе многогранную деятельность организма как сумму жизнедеятельности отдельных клеток. Это представление было принято и получило название теории «клеточного государства». Р. Вирхов писал: «...всякое тело сколько-нибудь значительного объема представляет устройство, подобное общественному, где множество отдельных существований поставлено в зависимость друг от друга, но так, однако же, что каждое из них имеет свою собственную деятельность, и если побуждение к этой деятельности оно и получает от других частей, то свою работу оно совершает собственными силами»[1].

При попадании интактного растения в условия абиотического или биотического стресса наблюдается ответная реакция растения на стресс за счет активации работы специализированных клеток. Аналогичная тенденция наблюдается и при размножении, движении или раздражении растений. Все органы и ткани многоклеточных организмов состоят из клеток, которые находятся во взаимной связи друг с другом, поэтому нельзя говорить о главных органах или главных клетках в целом организме. Все клетки, ткани и органы многоклеточных организмов связаны между собой молекулярно-генетическими и физиолого-биохимическими реакциями. Вот почему мы говорим об организме как о целостной системе.

Клетка является элементарной единицей жизни. Различают половые и соматические клетки, в которых происходят определенные процессы обмена веществ и имеется все необходимое для размножения. Кроме того, клетки гетерогенны в целом организме по размеру и выполняемым функциям.

Все живые организмы делятся на две группы — прокариоты и эукариоты. В первую группу входят бактерии, сине-зеленые водоросли, у которых нет морфологически выраженного ядра. Ко второй группе относятся все остальные представители живого мира, у которых обязательной структурой является клеточное ядро. Строение эукариотической клетки приведено на рис. 1.1, из которого следует, что помимо ядра в клетке присутствуют цитоплазма, специализированные органеллы, а также клеточная стенка (греч. ketos), благодаря которой и появилось слово «клетка». В любой растительной клетке клеточная стенка окружает и защищает протопласт, который содержит цитоплазму, ограниченную снаружи специальной плазматической мембраной — плазмалеммой.

Схема строения растительной клетки

Рис. 1.1. Схема строения растительной клетки:

  • 1 — аппарат Гольджи; 2 — рибосомы; 3 — хлоропласты; 4 — межклеточные пространства; 5 — полирибосомы; 6 — митохондрии; 7 — лизосомы;
  • 8 — гранулированная эндоплазматическая сеть; 9 — гладкая эндоплазматическая сеть; 10 — микротрубочки; 11 — пластиды;
  • 12 — плазмодесмы, проходящие сквозь оболочку; 13 — клеточная стенка; 14 — ядрышко; 15, 18 — ядерная оболочка; 16 — поры в ядерной оболочке; 17 — плазмалемма; 19 — цитоплазма; 20 — тонопласт; 21 — вакуоли;
  • 22 — ядро

Ядро — центр, управляющий жизнедеятельностью всей клетки и координирующий ее. Оно имеет сложное строение, изменяющееся на разных этапах жизненного цикла клетки. Ядро окружено ядер- ной оболочкой (мембраной), пронизанной порами, через которые осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Внутри ядра находятся хроматин, одно или несколько ядрышек и ядерный сок — кариолимфа, или нуклеоплазма. Ядрышки — тельца, связанные с хромосомами, — содержат большое количество рибонуклеиновой кислоты (РНК), в них происходит синтез рибосомной РНК.

Энергия в клетке вырабатывается митохондриями — особыми сферическими или палочковидными образованиями разнообразной величины и сложной структуры. При исследовании цитоплазмы с помощью электронной микроскопии была открыта система мембран и канальцев, служащих продолжением клеточной мембраны и связанных с внешней мембраной ядерной оболочки. Эта система получила название эндоплазматической сети, или ретикулума. По эндоплазматической сети канальцев, образуемых мембранами, передвигаются вещества внутри клетки. Здесь же открыты субмикроскопические частицы — рибосомы, — состоящие из белков и РНК.

Важнейшими структурными элементами клетки являются пластиды — хлоропласты, лейкопласты, хромопласты и др., — характерные для цитоплазмы растительных клеток. Хлоропласты содержат хлорофилл и участвуют в процессе фотосинтеза; бесцветные пластиды синтезируют крахмал; хромопласты — пигменты; эупла- сты — жиры и пластидные нуклеиновые кислоты.

В цитоплазме клетки имеются специфические органиоды: аппарат Гольджи — производное эндоплазматической сети — обеспечивает выделительную и секреторную функцию клетки; лизосо- мы — тела, содержащие ряд ферментов и выполняющие функцию пищеварения внутри клетки; центросомы — клеточный центр которых состоит из небольших телец центриолей и центросферы — особым образом дифференцированного участка цитоплазмы.

Клеточная мембрана имеет сложное строение, приспособленное к выполнению определенных функций: защитной, избирательной проницаемости и активного втягивания частиц и молекул. Активный транспорт молекул через клеточную мембрану осуществляется с помощью ионных каналов.

Передача наследственных признаков потомству как при вегетативном, так и при половом размножении, осуществляется делением клеток. Изучение процессов деления эукариотических клеток показало, что из всех клеточных компонентов только хромосомы распределяются поровну между дочерними клетками. Это указывает на участие хромосом в передаче наследственных признаков: в результате деления ядра каждая дочерняя клетка получает точно такой же набор хромосом, как у исходной родительской клетки. В этом уравнительном распределении хромосом ядра заключается генетическое значение митоза. Пластиды и митохондрии также размножаются путем деления, но их распределение по дочерним клеткам не подчиняется строгой закономерности.

Деление клетки состоит из двух основных этапов: 1) деление ядра — митоз (кариокинез); 2) деление цитоплазмы (цитокинез). Ядро клетки при делении проходит последовательные стадии: интерфазу, профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 1.2). Между двумя последовательными делениями клетки ядро находится в стадии интерфазы. Хотя интерфазу и называют стадией покоящегося ядра, однако метаболические процессы в ядре в этот период протекают наиболее активно.

Продолжительность всего митотического цикла — от 30 мин до 3 ч — зависит от вида и физиологического состояния организма, типа ткани, внешних факторов: температуры, света и др. Скорость прохождения отдельных фаз митоза также различна.

Новый организм при половом размножении возникает из зиготы — оплодотворенной яйцеклетки, — которая образуется при слиянии гамет, т. е. мужской и женской половых клеток. Если бы каждая гамета вносила в зиготу полный набор хромосом родительского организма, то их число увеличивалось бы вдвое за каждое поколение. Мейоз, предшествующий образованию как женских, так и мужских половых клеток, является регулирующим механизмом, позволяющим сохранять постоянное число хромосом.

Схема митоза

Рис. 1.2. Схема митоза:

  • 1 — неделящаяся клетка; 2 — профаза; 3 — метафаза; 4 — анафаза;
  • 5 — телофаза

Мейоз — процесс деления клетки, при котором наблюдаются соединение (конъюгация) гомологичных хромосом попарно и редукция (уменьшение) их числа в клетках — продуктах деления (рис. 1.3). При мейозе ядро делится дважды. В результате первого мейотического деления образуются два ядра с половинным — гаплоидным числом хромосом. Во втором делении каждое вновь образовавшееся ядро делится еще раз, но уже митотическим путем, — расходятся хромосомы, которые образовались из сестринских хроматид. Таким образом, из каждой клетки, вступившей в мейоз, после двух последовательных делений образуются четыре клетки с половинным числом хромосом.

Схема и фазы мейоза

Рис. 1.3. Схема и фазы мейоза

При мейозе не только вдвое уменьшается число хромосом, но и происходит распределение компонентов парных гомологичных хромосом по разным клеткам. При этом каждая пара ведет себя независимо. Редукции хромосом в мейозе предшествует слияние — конъюгация гомологов, которое позволяет каждой паре гомологичных хромосом обмениваться участками. Это создает дополнительный резерв наследственных комбинаций при половом размножении организмов. Процесс обмена гомологичных хромосом своими частями получил название кроссинговера.

Возникшая после слияния отцовского и материнского ядер зигота содержит программу развития будущего организма, записанную в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Изменяя эндогенные факторы развития, можно управлять продукционным процессом и морфогенезом. Причем генетическая информация в специализированных клетках не изменяется, но при создании соответствующих благоприятных условий можно наблюдать формирование целого организма из каждой соматической клетки растения. Это явление называется тотипотентностъю, оно присуще только растительным клеткам, но не клеткам животных, для которых восстановление целого организма возможно только из половых клеток. Все паренхимные клетки растения, в каких бы тканях они ни находились, содержат полный набор генов, такой же, какой имела зигота. Однако 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 адено- зинтрифосфата (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 иноформационную РНК (иРНК) определенных белков, другие выключаются из этой работы.

Образование в процессе развития из однородных клеток разнообразных по морфологическим признакам и функциям типов клеток, тканей и органов называется дифференциацией. В основе дифференциации тканей лежит разница в активности генов. Различия в структуре и функциях в конечном счете определяются тем, какие типы белков синтезируются в клетке. Поскольку синтезом белков управляют гены, а набор генов во всех клетках тела одинаков, диф- ференцировка должна зависеть от активации или инактивации тех или иных генов в различных типах клеток. Регуляция активности генов происходит на уровне транскрипции, т. е. образования иРНК с использованием ДНК в качестве матрицы. Только транскрибированные гены производят белки. Синтезируемые белки могут блокировать транскрипцию, но иногда и активируют ее. Кроме того, поскольку белки являются продуктами генов, одни гены могут контролировать транскрипцию других генов. Очень активные гены могут многократно дуплицироваться (удваиваться) для производства большего количества иРНК. В регуляции транскрипции участвуют также гормоны. Кроме того, предполагают, что клетки ранее образующейся ткани выделяют вещества, способные активизировать работу генов, необходимых для дифференциации другой ткани. Этот процесс называется тканевой индукцией. Центральная проблема онтогенетики — анализ действия гена при формировании признака и установление промежуточных звеньев в цепи «ген — признак».

Гормональная регуляция — наиболее хорошо изученный механизм активизации генов. Гормоны могут воздействовать на гены непосредственно или вызывать появление в цитоплазме каких- то специфических веществ, действующие затем на гены. Одни гормоны — очень сложные белки; другие — короткие цепочки полипептидов; третьи — простые производные аминокислот. Проникая в клетку, гормоны воздействуют на комплекс «гистоны — ДНК» и активируют отдельные локусы.

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

Таким образом, растительная клетка — весьма сложное образование, включающее различные микроскопические и субмикроскопические структуры, отличительной особенностью которых является высокая динамичность, способность закономерно изменяться под влиянием условий существования.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Расскажите о строении растительной клетки.
  • 2. Какие растения входят в прокариотическую группу?
  • 3. Какие растения входят в эукариотическую группу?
  • 4. Дайте объяснение явлению тотипотентности.
  • 5. Расскажите о процессе митоза.
  • 6. Перечислите фазы мейоза.

  • [1] Волова Т. Г. Биотехнология. Новосибирск : Изд-во Сибирского отделения Российской академии наук, 1999.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >