БИОЛОГИЯ Том 3 - руководство по общей биологии - 2004

21. РАЗМНОЖЕНИЕ

21.3. Искусственное размножение растений - клонирование

В сельском хозяйстве и садоводстве используют ряд методов искусственного размножения растений. Первые три из описанных ниже методов, а именно — черенкование, прививки и размножение отводками, — традиционные способы, однако на коммерческом уровне они постепенно вытесняются современными методами с применением культуры ткани.

21.3.1. Черенкование

Это несложная процедура, при которой отрезают часть растения и помещают ее в подходящую для роста среду. Со временем черенок пускает корни и вырастает в новое растение. Окоренение можно ускорить гормонами, стимулирующими образование корней. Таким способом обычно размножают широко распространенные комнатные растения — герань и пеларгонию. Другое распространенное комнатное растение — узамбарскую фиалку, или сенполию, размножают отрезанными листьями. Черенкованием размножают черную смородину, отрезая осенью побеги на продажу. Так же размножают хризантемы.

21.3.2. Прививки черенками и почками

Прививка черенками производится путем переноса части растения — привоя — на нижнюю часть другого растения — подвоя. Первоначально прививки делали на яблонях, потому что эти деревья не удавалось выращивать из черенков, а у яблонь, выращенных из семян, наблюдалась слишком сильная изменчивость, так как семена получали путем полового размножения. Теперь эти прививки используют также для размножения других плодовых деревьев, например персиковых, а также слив. Привой выбирают по качеству плодов, а подвой — за такие качества, как устойчивость к болезням и к неблагоприятным условиям.

Розы обычно размножают одним из вариантов этого метода — так называемой окулировкой, при которой в качестве привоя используют не побег, а почку. Новые сорта создают путем полового размножения, однако, как и в случае плодовых деревьев, получить таким способом чистый сорт не удается. Поэтому для сохранения желаемых сортов приходится прибегать к тем или иным способам вегетативного размножения.

21.3.3. Размножение отводками

Отводками размножают растения, выбрасывающие плети, или усы, например землянику. Усы пришпиливают, пока они еще сохраняют связь с родительским растением, а после того, как на них образуются собственные корни, отрезают от него.

21.3.4. Культура ткани, или микрорепродукция

Микрорепродукцией называют размножение, или клонирование, растений с помощью культуры ткани. Приставка «микро» указывает на то, что в качестве исходного материала обычно используют мелкие объекты — либо отдельные клетки, либо маленькие кусочки ткани. Этот материал выращивают на специальных культуральных средах и поэтому называют культурой ткани. В основе культивирования лежат эксперименты, показавшие, что кусочки ткани, отделенные от растений, можно заставить расти в растворе, содержащем питательные вещества и некоторые растительные гормоны, в частности ауксины и цитокинины. Гормоны необходимы для поддержания непрерывного деления клеток. В настоящее время культуру ткани широко используют для сохранения выведенных сортов растений (рис. 21.11).

Рис. 21. 11. Культура ткани. А. Растение первоцвета с хорошо развитыми листьями, которые можно разрезать на много мелких частей для клонирования. Б. Фрагменты листа перенесены на агар с соблюдением стерильности. В. Один из фрагментов листа, на котором образовался каллус и новый побег. Г. Побег отделили от фрагмента листа и поместили на достаточно толстый слой агара, чтобы стимулировать рост корней. Д. Молодые клоны пере несли в рыхлую культуральную среду, чтобы усилить развитие корней. Е. Идентичные растения, полученные из одного фрагмента листа путем клонирования.

Тотипотентность

В начале шестидесятых годов прошлого века было показано, что ядра зрелых растительных клеток содержат всю информацию, необходимую для кодирования целого организма. Проф. Ф. Стьюард из Корнеллского университета (США) показал, что зрелые клетки моркови, помещенные в подходящий культуральный раствор, можно вновь заставить делиться и образовывать новые растения моркови. Эти клетки назвали тотипотентными, поскольку они, даже после достижения зрелости и специализации, сохраняют способность при наличии подходящих условий начать делиться, образуя новые растения.

Преимущества культуры ткани

Ниже перечислены некоторые из важных достоинств метода культуры ткани. Более подробные сведения изложены в конце этого раздела.

1. В ряде случаев можно быстро размножить растения с желаемыми признаками, получая много идентичных копий. Этого нелегко добиться, используя традиционные методы, основанные на половом размножении, особенно если растения адаптированы к перекрестному опылению и аутбридингу (см. далее). Метод культуры ткани имеет важное значение при выращивании ряда зерновых и других сельскохозяйственных растений. Он позволяет быстро размножать новые сорта, полученные путем скрещивания растений.

2. Используя культуру ткани, можно генетически изменять («трансформировать») клетки и выращивать из них целые растения, известные под названием трансгенных (см. разд. 25.2.1).

3. Культивирование клеток не требует много места.

4. Условия культуры ткани исключают возможность заражения растений какими- либо болезнями. Вирусы устраняют описанными ниже методами.

5. Разработаны новые методы создания гибридов путем слияния протопластов, т. е. клеток, освобожденных от своих оболочек. Таким способом удалось получить межвидовые гибриды (например, гибрид картофеля и томата).

6. Эти методы могут оказаться эффективными для получения из растений ценных химических веществ, например лекарств.

Описание метода

Культуральная среда обычно содержит соответствующие питательные вещества и гормоны (см. разд. 16.2). Стандартная среда должна содержать неорганические ионы, необходимые для роста растений, в том числе азот, магний, железо и калий (см. табл. 7.7). Кроме того, нужны сахароза, как источник энергии, и витамины. Эти химические вещества обычно смешивают с агаром, получая желеобразную питательную среду, сходную с той, которую используют для выращивания бактерий и грибов. В культуральной среде должны содержаться незаменимые гормоны — ауксин, стимулирующий рост корней, а также рост клеток в продольном направлении, и цитокинин, стимулирующий рост побегов и клеточное деление. Различные соотношения ауксина и цитокинина оказывают разное влияние на характер развития неспециализированных клеток. Культуру ткани выращивают на поверхности агара в колбах или в чашках Петри.

Температуру, интенсивность и качество света, продолжительность светового дня и влажность регулируют, выращивая культуры в специальных помещениях. Все процедуры проводят в стерильных условиях, так как в культурах могут поселиться бактерии и грибы, растущие быстрее и, следовательно, способные выйти победителями в конкуренции с растениями. Саму растительную ткань стерилизуют, обрабатывая ее поверхность разведенным белильным раствором; остальные материалы также стерилизуют перед употреблением. При работе со всей установкой следует постоянно обеспечивать стерильность, как это делают при микробиологических исследованиях (разд. 12.3).

На рис. 21.12 кратко охарактеризованы основные методы выращивания новых растений с использованием культуры тканей. Фрагменты, взятые от растения, подлежащего размножению, называют эксплантатами. Самый обычный метод состоит в использовании меристематической ткани из верхушечных или пазушных почек. Меристемой называют ткань, в которой клетки все еще продолжают делиться. Другой способ состоит в создании каллуса из немеристематической ткани (рис. 21.13). Каллус — это масса недифференцированных (неспециализированных) клеток. Рост корней или побегов из каллуса или из немеристематической ткани можно стимулировать добавлением ауксинов или цитокининов. На рис. 21.13 видны молодые проростки, возникающие из каллуса. Иногда появляются не побеги и не корни, а зародыши; если поместить их на агаровое желе, они могут дать начало маленьким растеньицам. На рис. 21.11 показаны дальнейшие стадии этого процесса.

Рис. 21.12. Методы получения клонов от одного исходного растения.

Рис. 21.13. Крошечные растения табака, развившиеся из культуры каллусной ткани на стерильном агаре.

Растения, свободные от вирусов

Вирусы могут распространиться по всему растению, и предотвратить их переход с одного растения на другое при размножении традиционными методами очень трудно. Однако обычно вирусы не проникают в верхушечную меристему. Поэтому для получения растений, свободных от вирусов, методом клонирования можно использовать меристемы. Тепловая обработка меристем позволяет повысить уверенность в отсутствии вирусов. Следует создавать фонды меристем, свободных от вирусов, с тем чтобы можно было по мере надобности получать новые растения. Это позволяет снизить расходы по созданию защищенных от инфекций теплиц и служит более надежным способом предотвращения распространения болезней, чем традиционные методы. Так размножают картофель, плодовые деревья, некоторые луковичные и декоративные растения.

Получение безвирусного картофеля

Культуру ткани используют в широких масштабах для разведения декоративных растений, плодовых деревьев и в плантационных хозяйствах, выращивающих такие культуры, как масличная и финиковая пальмы, сахарный тростник или бананы; однако в отношении сельскохозяйственных культур этот метод применяли мало. Единственное исключение составляет картофель (табл. 21.1). Одной из причин этого была возможность получить таким образом растения, свободные от вирусов. Повторные пересевы меристемы позволяют получать большое число маленьких растений, используемых затем для получения мини-клубней, величиной с горошину (рис. 21.14), которые можно высевать подобно семенам. Одно растение способно давать в год свыше полумиллиона мини-клубней. Это позволяет ускорить процесс интродукции новых сортов картофеля, обладающих, например, устойчивостью к серьезной вирусной болезни — скручиванию листьев.

Таблица 21.1. Сравнение традиционных методов размножения клубней картофеля с методом культуры ткани (микроразмножение)

Рис. 21.14. Мини-клубни картофеля выглядят совершено так же, как обычные клубни, только размеры их не больше размеров горошины.

Картофель считается одним из важнейших культурных растений. Он занимает четвертое место в мире среди сельскохозяйственной продукции после таких злаков, как рис, пшеница и кукуруза. В последнее время его популярность растет в азиатских странах. До недавнего времени можно было интродуцировать новые сорта только путем кроссбридинга растений с желаемыми признаками. Однако существует несколько подвидов картофеля и не все они скрещиваются между собой. Среди тех, которые скрещиваются, некоторые дают только стерильные гибриды. Кроме того, выведение стабильного нового сорта путем повторных генетических скрещиваний занимает обычно 10—15 лет.

Используя культуру ткани, можно получать в массовых количествах как дикорастущие родичи картофеля, так и культурные сорта. Теперь новые сорта картофеля селекционеры способны создавать очень быстро путем переноса полезных генов от, например, дикорастущих родичей культурного сорта или даже от совершенно неродственных растений в отдельные клетки, используя методы генетической инженерии. В наиболее распространенном методе в качестве вектора используют Agrobacterium (см. гл. 25). Затем из трансформированных клеток в культуре ткани можно выращивать небольшие растения и далее размножать их, как было описано выше. Таким образом ген, контролирующий один из белков оболочки вируса, вызывающего скручивание листьев картофеля, был введен в сорта картофеля Дезирэ и Пентленд Скуайр, что эквивалентно вакцинации против этого вируса. Хотя при этом картофель все же может заразиться, однако в таком картофеле вирус размножается гораздо медленнее, чем обычно, и у растения либо наблюдаются незначительные проявления болезни, либо их нет вовсе.

Другой метод, с успехом применяемый к картофелю, состоит в слиянии двух соматических (неполовых) клеток от разных сортов. Для этого у клеток сначала удаляют клеточные стенки, чтобы получить голые протопласты. Образующиеся в результате слияния протопластов соматические гибриды можно выращивать в культуре ткани. Это могут быть гибриды между двумя сортами, которые не удалось бы скрестить половым путем ввиду их несовместимости. Таким образом из дикорастущего картофеля были получены промышленные сорта, устойчивые к вирусу скручивания листьев и к холоду.

Преимущества метода культуры ткани

1. Быстрое размножение. На образующихся при клонировании побегах обычным порядком развиваются почки. Эти почки можно использовать для генерации новых побегов с помощью того же метода культуры ткани. Путем непрерывного повторного клонирования почек число потенциальных растений умножается на каждой стадии. В результате в течение определенного периода от одного побега можно получить тысячи или даже миллионы растений. Это намного быстрее, чем при использовании традиционных методов разведения, так что новые сорта могут быть интродуцированы на несколько лет раньше.

2. Генетическое единообразие. Растения, получаемые при использовании метода культуры ткани, генетически идентичны; иными словами, все они обладают желаемыми признаками исходного растения и размножаются в чистоте. Такие растения (т. е. растения, гомозиготные по желаемым признакам) очень трудно получить при половом размножении.

3. Здоровые растения. Как уже объяснялось выше, используя для размножения меристематические ткани, можно избежать вирусных болезней. Поскольку все процедуры проводятся в стерильных условиях, растения не подвержены опасности заражения поверхностными бактериями и грибами, среди которых могут быть и болезнетворные формы.

4. Культура ткани требует относительно немного места по сравнению с выращиванием растений в теплицах или на полях.

5. Метод культуры ткани не зависит от сезонных изменений погодных условий, т. е. растения с заданными свойствами можно получать в любое время года, тогда, когда их можно продать дороже всего.

6. Возможен более тщательный контроль за развитием растений, что гарантирует единообразие продукта, предлагаемого покупателю.

7. Некоторые растения, например бананы, стерильны и их можно размножать только бесполым путем.

8. Семена некоторых растений, например определенных орхидных, трудно проращивать. Их надежнее размножать бесполым путем.

9. Культура ткани в сочетании с методами генетической инженерии позволяет получать трансгенные растения (см. разд. 25.4).

10. Поскольку культуры ткани не громоздки, их экономично транспортировать по воздуху, что расширяет возможности международной торговли.

Недостатки метода культуры ткани

1. Метод требует больших затрат рабочей силы и менее удобен, чем высеивание семян. Кроме того, он требует достаточно высокой квалификации. Его применение в широких масштабах порождает определенные проблемы в плане организации и обучения персонала. При этом значительно возрастает и стоимость полученного продукта. Обычно применение этого процесса экономически выгодно только для дорогих культур, таких как декоративные растения, и нерентабелен для дешевых культур, например моркови.

2. Необходимость поддерживать стерильные условия. Это еще больше повышает расходы и усложняет весь процесс.

3. Растения, полученные из культур каллуса, иногда претерпевают генетические изменения. Небольшая доля этих изменений может оказаться коммерчески выгодной, но в большинстве случаев они нежелательны.

4. Поскольку клоны генетически идентичны, сельскохозяйственные культуры сильно подвержены заражению новыми болезнями и очень чувствительны к изменениям условий среды. Эти факторы могут полностью уничтожить некоторые культуры.