Бiотехнологiя
От як пояснює ставшее за останнiй час дуже популярним словомтехнологiя Словник iноземних слiв : Технологiя (вiд грецького techne
— мистецтво, ремесло, наука — logos — поняття,
навчання) — сукупнiсть знань про способи й засоби проведення
виробничих процесiв… Слову бiотехнологiя деяким за десять рокiв.
Воно настiльки молодо, що визначення його не потрапило поки нi в один зi
словникiв. Але факультети бiотехнологiï в iнститутах уже з'явилися
Бiотехнологiя — багатогалузева наука. Але, мабуть, найбiльш
почесне мiсце в нiй займає, крiм генноï iнженерiï, наука
про штучне культивування iзольованих клiток i тканин i про ростових або
ингибирующих речовинах
Вiдiрвана вiд колективу собi подiбних клiтка в пробiрцi зберiгає
пам'ять — генетичну iнформацiю, закладену родителями. Але
спецiальнiсть (спецiалiзацiю) вона втрачає й утворить при
розподiлi щось аморфне, що нагадує за формою морську губку —
каллус (у перекладi з латинського мозолю ) . Це тканина, що
виникає не тiльки в пробiрцi, але й у природних умовах при
пораненнi рослини. Крiм втрати вузькоï спецiалiзацiï клiтка
часом починає поводитися, немов пацiєнт божевiльного
будинку. Наприклад, активнi гени раптом застопорюються, а спалi нi з
того нi iз сього починають iнтенсивно працювати. Клiтка в клiтцi , тобто
в пробiрцi, може рiзко змiнити спiввiдношення ферментних i структурних
бiлкiв. У нiй збiльшується число молекул РНК, що синтезують у
достатку тi бiлки, до виробництва яких клiтка ранiше ставилася iз
прохладцей
Однак варто надати ув'язненому певнi умови, як вона знову здобуває
якусь спецiалiзацiю, причому не обов'язково стару : узята з кореня або
аркуша клiтка утворить цiла рослина. Регенерацiï повноцiнних рослин
з каллуса домагаються в принципi двома шляхами: диференцiацiєю
втеч i корiнь за допомогою змiни спiввiдношення гормонiв цитокинина й
ауксину або утворенням ембриоидов. Цей соматичний (асексуальний)
ембриогенез уперше був простежений до 1959 року в моркви; згодом його
стали застосовувати при виробництвi життєздатних рослин у рiзних
видiв
Ненецiкаво, що в лабораторiях виявили здатнiсть iзольованих клiток
деяких видiв рослин загартовуватися. Так, якщо клiтки без загартування
ледве переносять температуру 20њ С, те iз загартуванням здатнi витримати
й мiнус 35њ С, а клiтки сибiрськоï яблунi iз загартуванням терплять
мороз нижче 50њ С. От тiльки клiтки теплолюбного лимона нiяким закалкам
не пiддаються. З'явилася можливiсть вiдбору клiток з великою
морозостiйкiстю з каллуса пшеницi i ïли
Iзольованi клiтки зберiгають здатнiсть синтезувати речовини, властивi
ïй in vivo, тобто в тiлi живого органiзму, — вiтамiни,
гормони, алкалоïди, кумарини, стеронди й так далi. Це зацiкавило
бiологiв з погляду утилiзацiï цих речовин для промисловостi
У лабораторiях виявлена ще одна здатнiсть клiток: вiдокрем одну вiд
iнших або посади ïï на живильне вiддалiк середовище вiд
родичiв, i вона навiдрiз вiдмовиться дiлитися й розмножуватися.
Експериментатори, природно, припускають, що телепатiя клiток має
хiмiчну природу, однак видiлити й розглянути в особу винуватця
телепатiï дотепер не вдалося. Прямо не речовина, а примара —
дуже вуж малий його концентрацiя. Киïвському соратниковi Р. Г.
Бутенко — Ю. Ю. Глiбi все-таки вдалося змусити клiтку, страждаючу
вiд самiтностi, дiлитися в дрiбнiй крапельцi живильного < середовища/p>
Чим довше займалася лабораторiя Р. Г. Бутенко культурою клiток, тим
бiльше цiкавих явищ вiдкривалося перед ïï спiвробiтниками. Ну
хоча б те, що клiтки каллуса, що мають єдиного предка — одну
прапрапра… (i так далi) клiтку, виявляються через кiлька поколiнь
генетично рiзними. Може бути, вивчивши це явище, ми виявимо, що предком
мавпи й людини була прозаïчний кiльчастий хробак Змiни,
спостережуванi в iзольованiй культурi, можуть виникати внаслiдок мутацiй
специфiчних генiв i хромосомних перебудов. Частота, тип i стабiльнiсть
мiнливостi залежать вiд генотипу вихiдноï рослини й фiзiолого-
бiохiмiчного стану (настрою ) клiтки. Висловлено припущення, що умови
iзольованоï культури приводять до глибокоï клiтинноï
дестабiлiзацiï. Широкий спектр варiантiв, що утворяться з
культивируемого матерiалу, є вiдбиттям дестабiлiзацiï, за
котрою iдуть дiя вiдбору й вториннi спадкоємнi змiни в
популяцiï клiток
Спостережувана мiнливiсть має велике значення при застосуваннiкультури клiток i тканин для полiпшення сiльськогосподарських культур
Вплив мутагенами — речовинами або радiацiєю, що викликають
спадкоємнi змiни, збiльшує частоту змiнених клiток, а
використання селективних умов (наприклад, пiдвищеного iнфекцiйного тла)
створює передумови для розмноження тiльки змiнених у потрiбному
людинi напрямку клiток. Однак багато дослiдникiв, памятуя, iмовiрно,
рядка вiрша Федора Тютчева (Природа — сфiнкс. I тим вона верней
своєю пробою губить людини… ) , вiдмовляються вiд
використання мутагенiв, щоб уникнути додаткових небажаних мутацiй. Тим
бiльше, що мутантних клiтинних лiнiй виникає цiлком достатньо й
без ïхнього втручання
У клiтках каллуса часто мiняється й число хромосом. Каллус рослини
гаплопаппус, наприклад, через два роки виявився складається на 95
вiдсоткiв з полиплоидних ( щомiстять у ядрi бiльше двох геномов) клiток
iз числом наборiв основного (базисного) числа хромосом, рiвним восьми й
бiльше. У США отриманi полиплоидние форми тютюну iз клiток каллуса,
культивируемих поза органiзмом, що вiдрiзняються поруч хазяйновито
коштовних ознак. Вихiд полиплоидних форм виявився настiльки значним, що
цей метод рекомендований для експериментального одержання полиплоидов.
Такi ж результати отриманi в лимона й конюшини повзучого
Та й що взагалi регенерувалися з каллуса рослини часто вiдрiзняються вiд
своïх батькiв числом хромосом. Генетично iдентичне вiдтворення
генотипiв через диференцiацiю в культурi каллуса в цей час можна
здiйснити в порiвняно деяких видiв
Для селекцiï генетична мiнливiсть клiток каллуса може представити
певний iнтерес. На основi регенерацiï в культурi тканин i органiв
рослин отриманi високопродуктивнi форми соняшника. На жаль, у таких
найважливiших сiльськогосподарських культур, як зернов i бобовi,
активувати морфогенез на живильних поки середовищах вдається
рiдко, але є успiхи при роботi й iз цими непокiрливими культурами
На живильних при середовищах високiй iнтенсивностi висвiтлення нинi
вирощують рослини-гаплоиди з пильцевих зерен. У них удвiчi менше
хромосом, чим у звичайних соматичних клiтках стебел, листя й кореня
батькiвськоï рослини. З них при подвоєннi хромосом шляхом
обробки колхицином або закисом азоту пiд тиском (є й iншi шляхи
подвоєння) одержують дигаплоиди (або, допустимо, тетрагаплоиди,
якщо основний набiр учетверен) . Вони гомозиготни, тобто забезпечують
прояв властивих ïм ознак стiйко протягом багатьох поколiнь. У них,
як говорять генетики, не вищепляются новi ознаки, якщо, звичайно, не
з'являються мутацiï — раптовi новi спадкоємнi ознаки.
Гомозиготнi лiнiï нерiдко використовують у селекцiï на
гетерозис — достовiрне пiдвищення продуктивностi, якостi або
iншого показника проти батькiвських форм, залучених у гiбридизацiю
Використовують гаплоиди й iнакше. У Китаï за допомогою культури
пильовикiв виведенi короткостебельние, скоростиглi й високоврожайнi
сорти рису. Застосування в цiй краïнi живильних , середовищ
включающих картопляний екстракт, привело до ранiше недосяжного —
одержанню гаплоидов у жита, що вiдкрило новi можливостi в селекцiï
цiєï перекрестноопиляющейся культури. Отримано цiкавi
результати в ячменя, перцю, маку, люцерни, винограду, тополi, яблунi й
олiйний рапс. В останньоï культури, проведеноï через культуру
пильовикiв, трохи зменшили й сподiваються зменшити ще бiльше змiст
шкiдливих гликозидних з'єднань. Усього в Китаï до 1984 року з
пильцевих зерен вирощено близько 40 видiв рослин. Вивчення популяцiй
пшеницi, рису, кукурудзи й тютюну з пильовикiв показало, що близько 90
вiдсоткiв подвоєних гаплоидов є генетично однорiдними, хоча
в 10 вiдсоткiв все-таки вiдзначена нестабiльнiсть числа хромосом i
ïхньоï структури
У нашiй краïнi ефективний спосiб одержання пшеницi з пилка в
культурi пильовикiв розроблений саратовскими вченими В. М. Сухановим, В.
С. Тирновим i Н. Н. Салтиковой
Саме цiкаве, що iнодi й гiбридизацiю вдається провести в чашках
Петри, пробiрках, взагалi в яких-небудь посудинах, у яких помiщають
iзольовану вiд рослини семяпочку. На неï наносять пилок,
переборюючи в такий спосiб самонесумiснiсть — вiдмова рослини дати
насiння, якщо його намагаються заплiднити власним пилком
У пробiрцi трапляється часом перебороти несумiснiсть досить
вiддалених видiв, i навiть пологiв рослин . Однак буває й так, що
схрестити рослини, що ставляться до двох рiзних видiв або родiв,
вдається, але отриманi вiд гiбридизацiï насiння не бажають
проростати — позначається несумiснiсть, допустимо, зародка з
ендоспермом. Це звичайне явище при схрещуваннi пшеницi й жита (є,
однак, i iншi фактори, що перешкоджають проростанню) . У таких випадках
з успiхом прибiгають до вiддiлення зародка вiд ендосперму на раннiх
етапах розвитку зерновки й примiщенню зародка на штучне живильне ,
середовище состоящую з багатьох компонентов
При вирощуваннi молодих ембрiонiв домоглися зав'язування жезнеспособних
насiнь у межродових гiбридiв — ячмiнь X жито, елимус X пшениця,
трнпсакум X кукурудза; томат культурний X томат перуанський, чина
пурпурна X чина члениста, лядвенец тонкий X лядвенец болотний, буркун
жовтий X буркун бiлий, квасоля звичайна X квасоля гостролиста (тепарн) ,
конюшина подiбний X конюшина гiбридний (рожевий) , зливу
пiвнiчноамериканська X зливу перська. М. Ф. Терновский зi
спiвробiтниками одержав мiжвидовий гiбрид тютюну з новими властивостями
стiйкостi завдяки культурi на штучнiй живильнiй каллусов середовищi з
нездатних до проростання гiбридних насiнь. Таким же шляхом отриманi
нормальнi гiбриди першого поколiння вiд схрещування днплоидних i
тетраплоидних форм райграсу
И нарештi, ще одне важливе достоïнство використання живильних .
середовищ У пробiрцi вдається злити воєдино соматичнi клiтки
рiзних видiв. Для цього, щоправда, ïх доводиться безсоромно
роздягати — звiльняти вiд оболонки за допомогою спецiальних
ферментiв. Пiсля цiєï процедури ми маємо справу вже не
iз клiткою, а iз протопластом. Протопласти двох видiв кидають в один
протопласт — гетерокариот, що через якийсь час обзаводиться новою
одежинкою . Так вдається поєднувати навiть твариннi клiтки з
рослинними, наприклад, клiтку тютюну з оголеною клiткою дрозофили. Треба
сказати, що такi клiтки, хоча й намагаються дiлитися, але впустую. До
розподiлу здатнi поки лише злитi клiтки видiв у межах одного роду,
зрiдка — рiзних пологiв i сiмейств. Але як знати! Згодом буде
переборена й ця несумiснiсть, i селекцiонери одержать гiбриди, якi
ïм i в снi не снилися
До теперiшнього часу вдалося сполучити протопласти й одержати соматичнi
гiбриди картоплi й томату, щоправда, з мiзерним урожаєм плодiв i
бульб. А от соматична гiбридизацiя стiйких до хвороб i шкiдникiв диких
диплоидних видiв картоплi (2х) з культурними диплоидними {2х) може
представити практичний iнтерес: 2х + 2х = 4х — це саме оптимальний
рiвень плоидности в картоплi
Несподiванi результати канадця К. Н. Као, що одержав гетерокариотическне
(зi сполученими ядрами) клiтки iз протопластiв, що злилися, сон i тютюну
сизого (тютюнового дерева) , здатнi до розподiлу, i лiнiï клiток
соï й тютюну iз синхронним розподiлом хромосом При використаннi
культури клiток i тканин вдається швидко розмножити новий сорт,
якщо культуру у виробництвi розмножують вегетативно, або лiнiю для
виробництва гiбридних насiнь в овочевих, декоративних i iнших
оброблюваних рослинi. Найчастiше розмножують (клонують) верхiвки втеч
(таке розмноження не зовсiм точно називають культурою меристеми —
адже, крiм останньоï, у процес включаються й iншi елементи) i
латеральну (бiчну) меристему — освiтню, що iнтенсивно дiлиться
тканину. Зростає використання культур тканин для клонування
суцвiть, квiток, бiчних бруньок, листiв i корiнь , культури каллуса й в
окремих випадках культури клiток. У спаржi для розмноження найбiльш
придатнi верхiвки втеч, у пасльоновi й червонокачанноï капусти
— шматочки (експланти) аркуша, у кольоровоï капусти й нарциса
— часточки суцвiть, у лiлейних, iрисових (касатикових) i
амариллисових — експланти iз цибулин, бульб, ризомов (коротких
м'ясистих кореневищ) , листiв, суцвiть i семяпочек, у птицемлечника
— експланти зi стебла, листiв, зав'язi, чашолисткiв i навiть
цибулинноï луски, у глоксинiï — висiчки з листiв i
квiтконiжок, у лука порею — шматочки цибулини, у геранi при
одержаннi диплоидних рослин — експланти пильовикiв
Найбiльше економiчно вигiдне розмноження в культурi тканин селекцiйних
сортiв квiтiв: орхiдей, агав, бегонiй, хризантем, цикламена, драцени,
iрису, лiлiй, нарциса, флокса й iнших
Новою областю застосування клонування в стерильному середовищi верхiвок
втеч i iнших експлантов стало розмноження порiд чагарникiв, плодових
культур i ананаса
З каллуса вiд зубчиков часнику одержали безвiруснi рослини. Економiчно
виправдане розмноження методом стерильноï культури гетерозисних
гiбридних насiнь овочевих i декоративних культур
Культура тканин рослинi, головним чином верхiвок втеч (меристем) ,
грає дуже важливу роль у звiльненнi насiнного матерiалу вiд
вiрусiв. Квiткарi першими виявили, що рослини, вирощенi не з бульб або
цибулин, а iз клiток, що дiляться, помiщених у живильне , середовище
вiрусними хворобами, як правило, не ураженi й дають здорове вегетативне
потомство бульб i цибулин. Цей прийом взяли на озброєння й картоплярi-
семеноводи
Одержання вiльних або, вiрнiше, майже вiльних вiд вiрусiв рослин —
звичайний прийом первинного насiнництва деяких сiльськогосподарських
культур: картоплi, конюшини, люцерни й хмелячи, овочевих (хрiну, ревеню,
печерицi, кольоровоï капусти) , плодових культур (малини,
червоноï й чорноï смородини, яблунi, зливи) , а також
декоративних рослин (хризантеми, гвоздики, пеларгонiï, фрезии,
цимбидиума, гортензiï, нарциса, лiлiï, гiацинта, iрису,
тюльпана, гладiолуса) Деяких фiзiологiв задовго до того, як вони
усвiдомили себе в ролi биотехнологов, зацiкавили биорегулятори рослин i
ранiше всього стимулятори росту
