Цитогенетика клеток и тканей в культуре и особенности полученных из них растений

 

Р.Г. Бутенко (1971), изучая клоновые ткани, выращенные одновременно из отдельных клеток одной и той же исходной ткани, увидела, что они очень различаются между собой. Так, клоновые ткани, полученные из клеток культуры ткани табака и росшие в одинаковых температурных, световых, питательных условиях, сильно отличались по окраске (от белой и серой до желтой); структуре (очень рыхлые, более плотные) и по интенсивности роста. Разными были по ряду признаков и возникшие от этих клоновых тканей растения. Подобные явления могут возникать из-за разной генетической характеристики клеток.

Причины генетической вариабельности клеток и тканей:

1. Генетическая гетерогенность исходного материала. У многих растений разные ткани характеризуются клетками разной плоидности, только такие ткани, как верхушечные меристемы, меристемы корня, камбий остаются диплоидными. Так, клетки зеленой паренхимы листа могут иметь в 32 раза большее число хромосом, чем меристема верхушки стебля того или иного растения.

2. Влияние условий культивирования. Американский исследователь Торри считает, что возникновению делений в полиплоидных клетках целого растения способствует кинетин (стимулятор роста) (Бутенко, 1971). Процент полиплоидных клеток возрастает быстрее, если в питательную среду в качестве ауксинового компонента вносят 2,4-Д, как стимулятор роста.

3. Длительное пассирование тканевых культур. Установлено, что даже ткани, которые были получены от заведомо диплоидных клеток за два года выращивания с пересадками 1 раз в месяц превратились на 95 % в клетки высокоплоидные (число хромосомных наборов достигало в них 8 и более).

В клетках ткани, выращиваемой длительное время на искусственной питательной среде, наблюдалась как полиплоидия (увеличение числа хромосом против нормального диплоидного состояния в несколько раз), так и анеуплоидия (уменьшение или увеличение хромосомного набора на несколько хромосом). Реже обнаруживалась гаплоидия (уменьшение числа хромосом против диплоидного вдвое).

Кроме изменений числа хромосомных наборов при выращивании ткани in vitro возможны изменения на генном уровне. Генные мутации могут быть выявлены только по изменению окраски и поведению клеток (они характеризуются изменением потребности в элементах питания) или по внешнему виду растений, полученных из таких измененных тканей. Изменения в генетической структуре клеток и тканей имеют как положительные, так и отрицательные стороны.

К благоприятным последствиям подобных изменений относятся следующие:

а) полиплоидные клетки более приспособлены к условиям выращивания их на искусственной питательной среде;

б) быстрая адаптация измененных клеток к новым условиям - перемена условий культивирования часто сопровождается изменением цитогенетической характеристики ткани;

в) использование генетически измененных клеток и тканей в селекции.

Негативные стороны мутаций:

а) в культуре ткани могут возникать клетки с мутациями, приводящими к гибели растения на разных фазах развития или к его бесплодию;

б) потеря клоном ценных качеств - например, синтеза ценного для медицины вещества;

в) невозможность размножать уникальные и ценные в генетическом отношении растительные формы.

В последнее время интенсивно разрабатываются методы сохранения полученных штаммов без поддержания их многочисленными пересадками. В качестве наиболее перспективного предлагается создание банка клеток путем глубокого их замораживания и сохранения при температуре жидкого азота.

Большой интерес для генетико-селекционных работ представляет возникновение в культуре ткани гаплоидных и триплоидных растений. Триплоидные клетки часто встречаются в культуре ткани - их число растет по мере пассирования. Триплоидные сорта сахарной свеклы урожайнее и содержат больше сахара, чем диплоидные и тетраплоидные.

Гаплоидные растения имеют один набор хромосом. Гаплоиды используют для получения стабильных гомозиготных линий, для мутагенеза. Их применение позволяет найти нужную комбинацию, сокращает время для создания сорта.

В диплоидных растениях мутации редко затрагивают оба аллельных гена в гомологических хромосомах. Особь обычно гетерозиготна (т.е. два гена различаются), при этом проявляется действие только доминантного гена. Поскольку мутации чаще рецессивны, чем доминантны, их довольно сложно выявить. В гаплоидных же растениях, которые содержат только одну из каждой пары гомологичных хромосом, мутации проявляются немедленно. Селекция на гаплоидном уровне позволяет вести прямой отбор не только доминантных, но и рецессивных признаков. Гаплоидные особи стерильны, но можно искусственно удвоить их набор хромосом с помощью колхицина и получить диплоидные гомозиготные растения. Гаплоиды могут возникать спонтанно, но частота их спонтанного возникновения очень мала. Гаплоидные растения можно получить, вводя в культуру ткани, обладающие клетками с уменьшенным вдвое числом хромосом: пыльца, мегаспоры, клетки зародышевого мешка. Существует три способа получения гаплоидов с использованием метода культуры изолированных тканей:

андрогенез - в искусственной питательной среде из изолированных пыльников и микроспор;

гиногенез - в искусственной питательной среде из изолированных семяпочек;

партеногенез - из гибридного зародыша, у которого из-за несовместимости хромосом родителей потеряны отцовские хромосомы.

Гаплоидные растения очень ценны для последующей гибридизации, так как в результате скрещивания гомозиготных форм получаются высокопродуктивные формы.

Получение мутантных форм, использование чистых линий и размножение их - вот перспективы селекционно-генетического применения культуры изолированных тканей и клеток.

Сорта ячменя «Исток» и «Одесская 115» были выведены путем комбинации партеногенетического метода с культурой изолированных зародышей за 4 года вместо 10 - 12 лет. (Шевелуха и др., 1995).

Контрольные вопросы:

1. Цитогенетика клеток и тканей в культуре «in vitro» и особенности полученных из них растений.

2. Причины генетической вариабельности клеток и тканей

3. Возможные мутации: благоприятные и негативные