ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

Клетки и ткани растений растут в пробирке

Высшие растения состоят из множества клеток, между которыми существует строгое разделение труда. Клетки зеленой ткани листа, например, создают органические вещества, используя для этого углекислый газ, воду и энергию солнечного света, клетки корня поглощают из почвы минеральные вещества и подают их во все другие части растения.

Несмотря на то что все специализированные клетки возникли в результате деления одной-единственной клетки — оплодотворенной яйцеклетки материнского растения, они значительно различаются по своему строению и химическому составу. Согласованная работа отдельных клеток контролируется всем организмом растения. Каждый орган, каждая ткань и клетка связаны между собой в единую систему многообразными связями: током питательных веществ, гормонов, передачей электрических импульсов.

А как будут вести себя клетки и ткани, если отделить их от растения и перенести на искусственную питательную среду, обеспечивающую все, что нужно для их жизнедеятельности? Будут ли такие клетки продолжать привычную работу, или их форма и функции значительно изменятся?

Такие вопросы ставили перед собой ученые еще в начале нашего века. Чтобы решить их, нужно было найти способ обеспечить жизнь изолированных от растений тканей и клеток. Первые попытки были неудачны. Только в 1932 г. два исследователя — Р. Готре во Франции и Ф. Уайт в США — сумели сохранить жизнь изолированным тканям некоторых растений. Им удалось подобрать питательные среды и другие условия, в которых клетки, составляющие изолированный кусочек ткани, могли размножаться. Оказалось, что ткани, изолированные от растения, перестают выполнять привычную для них работу, их строение упрощается, они «омолаживаются» и начинают усиленно размножаться и расти. В результате деления клеток возникает очень своеобразная ткань, которая называется каллусной. Каллусную ткань можно изолировать от первоначально взятой из растения ткани, разделить на кусочки и перенести на свежую питательную среду. Здесь клетки ее продолжают многократно делиться и расти.

В наше время техника выращивания тканей из любого органа самых различных растений хорошо разработана. Ткани, изолированные из корня редких и ценных лекарственных растений женьшеня и раувольфии, уже более десяти лет выращивают в Институте физиологии растений имени К. А. Тимирязева в Москве.

Ученые, исследующие изолированные ткани и клетки растений, работают в специальных стерильных боксах, тщательно стерилизуют руки, инструменты, питательную среду. Ведь растительные клетки не выдерживают борьбы с быстро размножающимися микроорганизмами за питательные вещества среды и гибнут. Если изолированные ткани своевременно (через 4—6 недель) и аккуратно, не заразив их, пересаживать на свежую питательную среду, они могут выращиваться длительное время. В 1938 г. Р. Готре изолировал кусочек ткани из корнеплода моркови. Обычно растение моркови живет 2 года, а потомство клеток изолированной из него ткани поддерживается в культуре уже более 30 лет и может выращиваться таким образом неограниченно долго (рис. 1).

Рис. 1. Культура ткани корня моркови, изолированная Р. Готре в 1938 г. 30 дней выращивания на питательной среде.

Ткани можно выращивать не только на поверхности полутвердой питательной среды, но и в жидкости. Созданы специальные аппараты, в которых питательная жидкость перемешивается, отчего ткани и клетки получают кислород воздуха, необходимый им для дыхания (рис. 2).

Рис. 2. В таком аппарате выращивают суспензии тканей и клеток в жидкой питательной среде.

В жидкой среде ткани обычно образуют взвесь, состоящую из отдельных свободноживущих клеток, небольших клеточных групп и кусочков ткани. (Взвеси, или суспензии, — жидкости, содержащие мелкораздробленные, чрезвычайно медленно оседающие частицы твердых тел.) Отдельные клетки можно выловить с помощью тонкого стеклянного капилляра и перенести опять на полутвердую питательную среду. Если такой отдельной клетке создать необходимые условия питания, а еще лучше — посадить близко от нее кусочек ткани, который будет снабжать клетку необходимыми для ее деления веществами (этот кусочек ткани называют тканью-нянькой), то клетка начинает быстро делиться и скоро образует колонию клеток, а затем и ткань. Для такой ткани характерна большая однородность.

Рис. 3. Образование корней тканью женьшеня.

Обычно ученые стараются создать для тканей условия питания, при которых ткани быстро растут и образуют однородную массу, такую, какая изображена на рисунке 1. Если изменить состав питательной среды, увеличить в ней содержание стимулирующих веществ, то в зависимости от вида стимулятора ткань начнет образовывать корни, или почки, или подобие зародыша, развивающегося в семени (рис. 3, 4).

Рис. 4. Образование стеблевых почек тканью табака.

Вспомним ту специализированную ткань, которая была изолирована из растения и дала начало культуре. Ее деятельность проходила под строгим контролем, и она выполняла ту работу, которая была необходима целому растению. Клетки и ткани, вышедшие из-под такого контроля, не только способны размножаться и расти — они могут дать начало целому растению (рис. 5). Омоложение этих клеток зашло так далеко, что они могут повторить весь путь развития сначала, т. е. становятся подобными той единственной клетке, из которой развилось растение. При этом клетки твердо «помнят» свое происхождение, и, как бы долго ни выращивалась ткань в культуре, клетки табака образуют почку табака, клетки моркови — зародыш нового растения моркови.

Рис. 5. Цветущее растение табака, полученное из одной клетки.

Итак, из отдельной свободноживущей клетки можно в лабораторных условиях получить культуру ткани, а из ткани — растение. Легко представить себе, какие удивительные возможности открываются перед учеными — своими глазами увидеть тайну процесса превращения клетки в растение! Ведь этот процесс происходит в пробирке и колбе, где все условия строго контролируются и легко наблюдать все его стадии.

Культура изолированных тканей и клеток растений завоевала признание не только как метод изучения сложных вопросов развития растений — она находит и практическое применение. Оказывается, ткани и клетки лекарственных растений в изолированной культуре продолжают синтезировать важные для медицины вещества. Ткань женьшеня, например, содержит такие же вещества, поднимающие силы утомленного человека, как и сам знаменитый «корень жизни». В недалеком будущем на заводах, которые выпускают лекарственные препараты, появятся специальные цехи, где синтез лекарственных препаратов будет доверен тканям растений.

А какие широкие возможности открываются для генетиков и селекционеров, выводящих новые сорта растений! Изолированные ткани и клетки легко обрабатывать химическими веществами или излучениями, вызывающими мутации — изменения в наследственном аппарате клетки. Из таких тканей и клеток образуются растения с новыми, иногда очень ценными свойствами.

Совсем недавно исследователи, используя специальные ферменты, научились освобождать растительные клетки из прочной целлюлозной оболочки, которая их окружает. «Голые» протопласты (клетки без оболочки) можно заставить слиться, восстановить оболочку, начать делиться, образовать ткань, а затем и целое растение. Изучаются возможности «скрещивать» таким способом клетки очень далеких между собой видов растений. И уже можно мечтать о соединении в одном растении полезных свойств пшеницы и устойчивых и неприхотливых диких злаков или же помидоров и картофеля.

Культура тканей помогает селекционерам преодолевать также трудности, возникающие при скрещивании отдаленных форм растений. Из цветка растения одной из скрещиваемых форм выделяют семяпочку, помещают ее на питательную среду и здесь оплодотворяют пыльцой растений другой формы. Из оплодотворенной семяпочки в пробирке выращивается росток, который затем можно пересадить в грунт.

И наконец, культуру изолированных тканей можно использовать для «оздоровления» сортов культурных растений. Многие из них поражены вирусными заболеваниями, которые грозят уничтожить тот или иной ценный сорт. Из ростка такого растения можно выделить группу здоровых клеток и вырастить из них растение, не пораженное вирусом, а затем размножить его отводками, черенками или клубнями.