Биотехнологии сегодняшнего дня являются предметом пристального внимания и интереса среди обычных обывателей. Множественные околонаучные публикации в СМИ пугают людей. Растительная биотехнология основана на понятии, которое совсем не страшно и абсолютно природно. И это протопласт растительных клеток. Поняв, что это, ознакомившись с методами биотехнологии растений, все находки и достижения прогресса не покажутся вам уже такими устрашающими.
Все кроме оболочки
Слово «протопласт» образовано слиянием двух греческих слов πρῶτο+πλαστός, что в переводе означает первый и образованный. Для всех растительных клеток, некоторых L-бактерий и микоплазм, протопласт — это все содержимое клетки, за исключением плотной стенки, образованной преимущественно из целлюлозы. Именно эта стенка придает клеткам растений прочность и форму, выполняя роль скелета. Убрав ее, мы получаем клетку со всем ее содержимым, покрытую мягкой мембраной (плазмолеммой) – это протопласт растительной клетки.
Немного истории
В биологическую терминологию термин вошел в 1880 году благодаря великому немецкому ботанику-микробиологу Иоганнесу Людвигу Эмиль Роберту фон Ханштайну (1822-1880). Именно его работы положили начало целой отрасли ботаники — эмбриологии растений. С тех пор биоинженерная индустрия шагнула далеко вперед. Слиянием протопластов первый гибрид двух видов табака получил американский биолог Питер Карлсон в 1972 году. Но только в 1985 году впервые были зарегистрированы мутантный сорт риса Мицуи байосаса №1 и сорт риса Хацуюми поздний, селекционированные японскими биологами с использованием протопластов.
Особенности и качества
Специфические свойства растительной клетки без оболочки важны для растения в процессах митоза и мейоза. Только при отсутствии оболочки происходит деление клеток и их дифференциация в структурные компоненты тканей. Особенность протоплазматической клетки – ее тотипотентность (множественные возможности). Протопласты клетки способны к регенерации оболочки, а при делении образуют каллус (группа дедифференцированных клеток), формируя целый организм. Кроме того, протопласт — это активно обменивающаяся со средой структура (белками, липопротеинами и нуклеиновыми кислотами). Эти особенности протопластов и используют биотехнологи и генные инженеры.
Строение протопласта
Растительную клетку без оболочки, протопласт, обычно делят на протоплазму и клеточную мембрану. Протоплазма включает:
- Гиалоплазму (коллоидная система, состоящая на 90-95% из воды и дисперсной составляющей – белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и растворенных неорганических соединений.).
- Ядро (внутриклеточная мембранная структура с хромосомами).
- Органеллы (митохондрии, цитоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, вакуоли, центриоли, рибосомы) и пластиды (хлоропласты, лейкопласты или хромопласты).
Все органеллы и пластиды считаются производными протопласта.
Движение и функции
Протопласт устроен сложно и сильно отличается для различных тканей растения. Кроме того, его содержимое постоянно движется либо вращательно, либо струйчато, обеспечивая транспорт веществ в клетке и способствуя обменным процессам. Вся жизнь клетки сосредоточена в протопласте. С него начинается жизнь клеток (при делении), в нем протекают все жизненные процессы и с ним заканчивается жизнь конкретной клетки (обезвоживание и гибель).
Изолирование протопластов
Существует несколько способов выделения протопластов. Это:
- Механический – клеточную стенку разрезают, а протопласт выходит в среду. Современные механические способы довольно разнообразны, но все они имеют недостатки: низкая производительность, это высокотрудоемкий и длительный процесс.
- Энзиматический – выведение протопласта происходит при помощи ферментов (целлюлаза, гемицеллюлаза, пектиназа). В таком случае протопласт не повреждается и не обезвоживается. Это быстрый и производительный способ (из 1 грамма ткани выделяют до 10 миллионов протопластов).
Данный процесс делится на три этапа: ферментативную обработку, собственно выделение протопластов и разделение их с поврежденными остатками.
А что дальше?
После выделения протопластов клеток, они проходят культивацию, а затем они готовы к работе в сфере биотехнологий. Регенерация и развитие растения происходит либо путем эмбриогенеза, либо путем формирования каллуса. Добиться развития организма можно добавлением гормонов (ауксинов и цитокининов), которые индуцируют морфогенез растительного организма. И важными факторами в этих процессах являются видовая специфичность объекта, способ выделения протопластов и плотность их посева, состав среды посева.
Объект конструирования
Областями применения изолированных протопластов в биотехнологиях включают теоретический и практический аспекты, а именно:
- Позволяют изучать структуру и химию самой клеточной стенки при ее разрушении и синтезе.
- С их помощью изучают свойства плазмалеммы и характер трансмембранного транспорта.
- Возможность мягкого выделения органелл клетки и их изучения.
- Изучение дифференциации тотипотентных клеток, взаимодействий ядра и гиалоплазмы.
- Получение и изучение соматических гибридных клеток.
- Введение чужеродных органелл в структуру клеток.
- Изучение механизма трансгенеза (введения чужих генов).
Генная инженерия растений
Современная наука работает сегодня над следующими направлениями биоинженерных технологий в растениеводстве:
- Получение растений, устойчивых к различным гербицидам.
- Развитие устойчивости растений к насекомым-вредителям.
- Повышение урожая сельскохозяйственных культур.
- Повышение устойчивости культур к неблагоприятным условиям среды.
- Повышение эффективности усвоения растениями микроэлементов.
И это далеко не полный перечень задач, которые ставят перед собой биоинженеры стран всего мира.
Несколько удивительных фактов
Ученые работают над перенесением в клубнику или яблоки гена африканского растения Dioscoreophyllum cumminisii, который отвечает за синтез белка в тысячи раз слаще сахарозы. Так как за сладость в данном случае отвечает белок, а не углевод, это поистине находка для всех людей, страдающих диабетом.
Голубые хризантемы и розы, зеленые лилии, фиолетовые тюльпаны – цветы, которые сегодня уже никого не удивляют. Арктические яблоки апельсины – пока еще в диковинку.
Уже есть тополя, которые удаляют из раствора до 91 % трихлорэтилена, а это главный компонент загрязнения подземных вод. Ученые работают над выведением растений, которые смогут поглощать больше углерода из воздуха и хранить их в корнях – это должно снизить скорость развития парникового эффекта на планете.
А вот болезни мы будем лечить, кушая бананы. Уже есть исследования, доказывающие, что при введении в молодое дерево измененного возбудителя болезней, клетки дерева синтезируют белки этого вируса. Таким образом, откусив такой банан можно считать, что вы ввели себе вакцину от данного заболевания.
Золотой рис, в отличие от обычного, содержит углевод бета-каротин, как в моркови. Для людей, где в пище отсутствует витамин А (незаменимые аминокислоты), это просто находка.
Пентагон (США) в 2003 году наградил биотехнологов, которые вывели сорт сосны, меняющей цвет при контакте с отравляющими химическими веществами биологического и антропогенного характера.
Все достижения науки приносят людям как пользу, так и влекут за собой долгосрочные изменения в экосистеме планеты. Именно поэтому во всех странах так много законодательных актов и институтов, контролирующих данную отрасль. В России базой исследований и контролем их результатов является Федеральное учреждение «Институт общей генетики им.Н.И.Вавилова» РАН в Санкт-Петербурге. А с 1 июля этого года введена обязательная регистрация всех генно-модифицированных организмов и продукции в соответствии с законом РФ№358 от 03.07.2016. Изменяя природу, нам необходимо помнить о том, что ею все уже придумано и сбалансировано задолго до нас и нашего появления на этой планете. Осторожность в действиях — приоритет и девиз современной генной инженерии.
