Біотехнологія створення штучних асоціаційкультивованих клітин вищих рослин з
Створення штучних асоціацій культивованих клітин вищих рослин з мікроорганізмами
Цілі створення клітинних асоціацій
Створення штучних асоціацій - новий, порівняно молодий напрямок клітинної інженерії з отримання нових клітин та клітинних систем шляхом введення мікроорганізмів у клітини або в популяції культивованих клітин рослин. Експериментальні клітинні системи називаються асоціаціями.
Асоціації можуть бути як внутрішньоклітинні (ендосимбіотичного типу), так і міжклітинні (екзосимбіотичного типу).
У першому випадку мікроорганізми вводять у ізольовані протопласти вищих рослин. У другому - спільно культивують клітини та тканини рослин з мікроорганізмами.
При створенні асоціацій передбачається, що клітини та їх популяції повинні набувати нових властивостей, обумовлених присутністю в них мікроорганізмів.
Цілі створення популяцій:
1. Експериментальна перевірка гіпотези теорії симбіотичного походження еукаріотичної клітини, яке, ймовірно, проходило через стадії ендо- та екзосімбіозу. Реконструкція окремих стадій еволюційного процесу симбіогенезу.
2. Моделювання природних симбіотичних відносин рослин та мікроорганізмів, які грають величезну роль у процесі фіксації атмосферного азоту (забезпечення пов'язаним азотом природних екосистем, а також агроценозів).
3. Підвищення продуктивності рослинних клітин-продуцентів економічно важливих речовин.
4. Отримання рослин із новими властивостями, за умови, що відносини, що складаються між клітинами партнерів при спільному вирощуванні, зберігаються у рослинах-регенерантах. У літературі обговорюються можливість покращення у такий спосібсільськогосподарських рослин, а також одержання рослин зі здатністю до автономної фіксації азоту.
Перші дві мети мають значення для вирішення теоретичних питань біології, останні дві мають яскраво виражений прикладний характер.
Підвищення продуктивності сільськогосподарських рослин
Одна з цілей культивування рослинних клітин – отримання важливих для медицини та низки галузей промисловості речовин. Для того щоб виробництво було рентабельним, необхідно культивувати їх на простих за складом поживних середовищах. У той же час, середовища досить складні за складом і включають вітаміни, гормони, джерела вуглецевого харчування, так як клітини в культурі є гетеротрофами або мають обмежену здатність до фотосинтезу. Поєднання в клітинах, що культивуються, здатності до фотосинтезу і біосинтезу специфічних продуктів - малоймовірне. Тому введення в такі культури мікроорганізмів, що синтезують субстрати для росту рослинних клітин або попередники для біосинтезу корисних речовин, є досить привабливим.
У мікробіології досвід змішаного культивування є. Він показує, що системи мікроорганізмів ефективніші, ніж монокультури. Їх використовують для очищення стічних вод, одержання ферментів, біологічно активних речовин (ауксини, вітаміни, антибіотики). Вважається, що в біотехнології знайдуть застосування змішані популяції, що включають як поєднання декількох штамів мікроорганізмів, так і представників царств рослин і тварин.
Поліпшення сільськогосподарських рослинпередбачає отримання рослин, здатних до фіксації молекулярного азоту.
При внесенні добрив використовують від 30 до 50% внесеного азоту. Інший шлях надходження азоту – біологічна фіксаціямолекулярний азот. Більшість здійснюється азотфиксирующими симбіонтами, але цей процес характерний лише деяких видів вищих рослин і мікроорганізмів. Для підвищення частки біологічної фіксації азоту використовують 3 підходи:
1. Інокуляція азотфіксуючими мікроорганізмами (бактеріальні добрива). Недолік - низька виживаність чистих культур, що інтродукуються, і витіснення їх природною ґрунтовою мікрофлорою.
2. Створення азотфіксуючих рослин методами генної інженерії. При цьому пропонується вводити гениnifу протопласти вищих рослин. Перешкоди на цьому шляху: процес вимагає великої кількості енергії, якої немає в рослинній клітині, немає систем транспорту, запасів заліза і молібдену, необхідних для синтезу нітрогенази, немає систем захисту нітрогенази від інактивації киснем.
3. Введення цілих азотфіксуючих організмів у рослини. Такі асоціації повинні враховувати особливості організації природних азотфіксуючих симбіозів:
- цілісність обох партнерів,
- інтеграція партнерів у межах організму макросимбіонту,
- Відносна відособленість макросимбіонту.
За допомогою клітинної інженерії можна здійснити життєдіяльність азотфіксуючих організмів у клітинах та тканинах культурних рослин. При цьому можлива перевірка великої кількості партнерських поєднань. У процесі культивування можлива адаптація партнерів друг до друга. Крім того, бактеріальні симбіонти можуть бути інтегровані в тканини рослин із збереженням їхньої інтактності, що дозволить убезпечити нітрогеназу від кисню, що виділяється рослиною в процесі фотосинтезу.
В даний час ці положення можуть бути підтверджені рядом експериментів.