Каллусные и суспензионные культуры клеток высших растений, методы их получения и область применения - Объекты биотехнологии и их промышленное использование

 В естественных условиях каллусная ткань может возникнуть у растений в результате механических повреждений. Она функционирует непродолжительное время, защищая растение в участке повреждения и накапливая питательные вещества для регенерационного процесса. Методика искусственного получения каллусной культуры у растений хорошо отработана и не вызывает затруднений. Для того чтобы получить культуру ткани, из любой части растения (стебель, лист, элемента цветка, корень и т.д.), вычленяют эксплантат (кусочек ткани размером 0,5 - 1,0 см), стерилизуют его и помещают на питательную среду определенного состава. Важнейшую роль в индуцировании каллусообразования на эксплантатах является наличие в питательных средах специфических фитогормонов – ауксинов и цитокининов. Функции этих двух групп фитогормонов в каллусогенезе различны, но они тесно связаны между собой. Ауксины вызывают процессы дедифференцировки и последующей вторичной дифференцировки клеток и подготавливают их к делению, а цитокинины инициируют деление. Во время процесса дедифференцировки, который у всех клеток сходен, клетки должны утратить характерные, индивидуальные черты исходной ткани (потерять некоторые органеллы, в частности хлоропласты и некоторые запасные вещества, такие как крахмал, некоторые белки и липиды). Различные типы фитогормонов, и, прежде всего их соотношение в среде культивирования, играют определяющую роль и во вторичной дифференцировке каллусных клеток. Через несколько дней на изолированном кусочке ткани растения образуется первичный каллус. Периодически в асептических условиях его отделяют и переносят на свежую питательную среду для дальнейшего роста. Такую ткань можно поддерживать в культуре неограниченно длительное время, периодически расчленяя ее и пересаживая на свежую питательную среду. Рост пересаженных тканей происходит в контролируемых условиях при температуре 24-28°С. Формирование каллуса длится обычно 1-2 месяца. Периодичность субкультивирования тканей зависит от скорости роста биомассы. Внешне такая ткань совершенно не похожа на растение, от которого она была получена, но ее клетки несут генетическую информацию, свойственную данному виду. Процессы, происходящие в культивируемых тканях, в принципе не отличаются от идущих в тканях целого растения. Сохранение способности к синтезу специфических вторичных метаболитов - алкалоидов, эфирных масел, карденолидов, стероидов и др. - определяет практическую ценность культур растительных тканей для создания технологий промышленного выращивания биомассы клеток в качестве принципиально нового вида лекарственного сырья. Кроме того каллусные клетки сохраняют свойство тотипотентности, что используется в технологии моноклонального размножения растений.

Другим вариантом культивирования растительных клеток является суспензионная культура, которую выращивают в жидкой питательной среде, по аналогии с процессом глубинного культивирования в промышленной микробиологии. Культивирование клеток растений в жидкой среде имеет ряд преимуществ перед выращиванием поверхностным способом каллусных культур. В условиях глубинного культивирования значительно легче контролировать метаболизм и рост клеточных популяций с помощью различного рода экзогенных факторов. Суспензионные культуры намного удобнее для биохимических и молекулярно-биологических экспериментов – изучения индукции ферментов, процессов экспрессии генов, изолирования и характеристик получаемых мутантов и т. п. Клеточные суспензии образуются как из каллусных тканей, так и непосредственно из экспланта. Для получения суспензионных культур предпочтительнее брать каллусы рыхлого типа. Если для этой цели необходимо использовать плотный каллус, то его можно разрыхлить, исключив из питательной среды соли Са2+. С этой же целью можно культивировать ткань на среде, содержащей ауксин 2-4-дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-D) или ферменты - пектиназу (0,2 мг/л) и целлюлазу (0,01 мг/л). Наилучший эффект достигается при добавлении ферментов. Суспензионные культуры клеток можно получить и непосредственно из экспланта по методу Ф. Стюарда. Для этого эксплант помещают в жидкую среду при постоянном автоматическом перемешивании. Дедифференцированные клетки отрываются от экспланта, образуя в питательной среде суспензию, состоящую из клеточных агрегатов различного состава. Качество суспензии определяется степенью агрегированности. Агрегаты должны содержать не более 10-12 клеток. Состояние клеточных суспензий характеризуется плотностью клеточной популяции. За 14 - 16 дней (средняя длительность культивирования) плотность обычно повышается от 5•104 до 5х106 кл/мл.

Постоянное встряхивание - необходимое условие культивирования клеточных суспензий. Суспензионные клетки делятся в присутствии тех же двух групп гормонов (ауксинов и цитокининов), которые индуцируют деление клеток в каллусных тканях. Следовательно, можно сказать, что суспензионные культуры представлены разными агрегатами каллусных клеток. Клеточные суспензии играют значительную роль в биотехнологии. Их культивируют в больших количествах для получения вторичных метаболитов, выявления новых веществ, для выращивания клеточной биомассы. Однако увеличение клеточной биомассы в результате деления клеток и синтез вторичных метаболитов разобщены во времени. Поэтому необходимо хорошо знать физиологию, свойства клеток в суспензионных культурах, чтобы получить максимальный выход продукта.