ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2008, том 69, № 5, с. 364-378
УДК 582.29
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЛИХЕНОЛОГИЯ
© 2008 г. Е. С. Лобанова, И. А. Смирнов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет,
каф. физиологии микроорганизмов 119998 Москва, Ленинские горы e-mail: elena.lobakova@rambler.ru; ismirnoff@yandex.ru Поступила в редакцию 11.05.2007 г.
В обзоре суммированы экспериментальные подходы в лихенологии. Рассмотрены 2 группы подходов: синтетические и культуральные. Синтетические подходы основаны на индукции диссоциации исходного лишайника на монокультуры симбионтов, их культивировании и создании условий реконструирования таллома исходного лишайника, получении новой модельной ассоциации на основе монокультуры одного из симбионтов лишайника и свободноживущего организма или монокультуры другой симбиотической системы. Данные подходы позволяют изучить специфичность и селективность взаимодействия симбионтов, морфогенез таллома лишайников и роль минорных компонентов многокомпонентной симбиотической системы. Культуральные подходы связаны с получением дедифференци-рованных клеточных агрегатов талломов лишайников ("культур тканей и клеток") на твердых и жидких питательных средах. В настоящее время разработаны методы получения "каллусных культур" лишайников. Между тем интерес представляют суспензионные культуры (в жидких средах), данных о которых в литературе практически нет. Культуральные подходы позволяют получать биомассу лишайников, в которой происходит синтез специфических лишайниковых веществ. Показана возможность индукции морфогенеза таллома в "культуре тканей" лишайников.
Конец XIX в. и особенно начало XX в. связаны с внедрением экспериментальных подходов в различные биологические дисциплины. К этому времени в микробиологии и микологии уже широко используют методы накопительной и "чистой" культур микроорганизмов, в науках о животных и растениях предпринимают попытки выращивания в контролируемых лабораторных условиях целых организмов, отдельных органов, тканей и/или отдельных клеток (Vochting, 1892 - цит. по: Бутенко, 1999; Harrison, 1907 - цит. по: Бутенко, 1999). К началу XX в. уже достигнуты успехи в культивировании тканей животных (Кронтовский, 1917 - цит. по: Бутенко, 1999), а в 1920-е годы - клеток и тканей растений (Czech, 1927 - цит. по: Бутенко, 1999; Prat, 1927; Gautheret, 1932 - цит. по: Бутенко, 1999; White, 1932). Важным этапом в развитии культур тканей растений становится открытие фитогормо-нов и разработка специализированных сред культивирования, которые позволили индуцировать дедифференциацию и каллусогенез или, напротив, дифференциацию клеток, что способствовало решению как теоретических, так и прикладных задач (Бутенко, 1999). Постепенно расширяют спектры вводимых в культуру объектов, разрабатывают основные методы выращивания клеток растений in vitro, закладывают основы микрокло-нального размножения.
Указанный период характеризуется также формированием и развитием представлений о симбиозе. В революционных работах A.C. Фаминцина
(1865 - цит. по: Фаминцин, 1907) и С. Швенденера (1867 - цит. по: Фаминцин, 1907) открыта дуалистическая природа лишайников, А. де Бари в 1879 г. формулирует понятие симбиоза. К началу XX в. относятся работы К.С. Мережковского, в которых обоснована теория симбиогенетического происхождения эукариотической клетки, сформулировано понятие двух "плазм" (Мережковский, 1907, 1909).
В настоящее время симбиоз принято рассматривать как стабильную надорганизменную систему, находящуюся в условиях сбалансированного роста и характеризующуюся специфическими отношениями компонентов друг с другом, уникальной биохимией и физиологией (АИшаёДап, Рагаеег, 1986).
Следует отметить, что указанные выше направления исследований не развивались обособленно. Постоянно интерферируя между собой, работы в этих областях способствовали формированию нового направления исследований уже в рамках сим-биологии, которое в 90-х годах XX в. получило название экспериментальной симбиологии.
СПЕЦИФИКА ЛИШАЙНИКОВ КАК
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ.
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИНОЛОГИИ
Лишайники - классический пример симбиотической ассоциации, состоящей из грибного (мико-бионта) и фотосинтезирующего (фотобионта) ком-
понентов. По числу участвующих в формировании таллома основных партнеров выделяют двух- и трехкомпонентные лишайники. У двухкомпонент-ных лишайников фотобионт представлен либо эу-кариотной микроводорослью, либо цианобактери-ей, а у трехкомпонентных лишайников - ими обеими: эукариотной микроводорослью в основной части таллома и цианобактерией в качестве диазо-трофного компонента в специализированных образованиях - цефалодиях (Окснер, 1974; АЬшаёДап, Рагаеег, 1986). По локализации последних в талломе выделяют внутренние (рис. 1, А) (внутриталлом-ные) и внешние (поверхностные) (рис. 1, Б, В) цефа-лодии. Некоторые исследователи, например П.А. Генкель, Л. А. Южакова (1936 - история вопроса описана у А. Н. Окснера (1974)), полагали, что облигатным симбионтом лишайника также являются азотфиксирующие бактерии (например, Azotobacter врр.). Экспериментального подтверждения эта точка зрения в 50-е годы прошлого века не получила (Красильников, 1949). Между тем в настоящее время предполагают, что бактерии являются ассоциативными симбионтами системы, участвующими в морфогенезе таллома лишайников (АЬшаёДап, 1989).
Тело лишайника - таллом, или слоевище, по морфоструктурной организации существенно отличается от образующих его компонентов. Характер расположения клеток фотобионта по отношению к гифам микобионта определяет гомеомерную (клетки фотобионта равномерно распределены по толщине таллома) или гетеромерную (клетки фо-тобионта четко выделяются в виде слоя) его организацию. Более чем у 35% лишайников описано образование специфических структур вегетативного размножения (соредий, изидий), не встречающихся у формирующих таллом лишайника компонентов (грибов, водорослей, цианобактерий).
Лишайникам помимо специфической морфо-структурной организации таллома свойственна также биохимическая, физиологическая и экологическая уникальность. Так, в талломах лишайников присутствует большое количество растворимых фенольных соединений (в основном дипсидов и дипсидонов), практически не встречающихся у свободноживущих грибов и фототрофных микроводорослей (Вайнштейн, 1982а-в). Функции этих соединений в талломе до конца не изучены (Моисеева, 1961). Доказано, что они: 1) участвуют в инициации симбиотических взаимодействий (АЬшаёДап, 1989); 2) регулируют обмен метаболитов между симбионтами (Вайнштейн, 1988); 3) обеспечивают адаптацию лишайников к биотическим (конкуренции с высшими растениями) и абиотическим (значительным перепадам температуры, влажности, бедности субстрата) факторам среды обитания (Тол-пышева, 1984а,б, 1985; Вайнштейн, Толпышева, 1992; АЬшаёДап, Рагаеег, 1986; Мапо.]1оу1е е! а1., 2002).
Рис. 1. Гетеромерное строение лишайников Nephroma arcticum с внутренними цефалодиями (А) и Peltigera aphthosa с поверхностными цефалодиями (Б, В) (световая (А, Б) и сканирующая электронная (В) микроскопия). Ц - цефалодий, Фб - клетки микроводорослей фотобионта, Г - гифы микобионта; К - коровый слой, С - сердцевина.
Многокомпонентность лишайников определяет сложность их использования в качестве объектов биотехнологии. Лишайники - надорганизменная многокомпонентная система, поэтому нам представляется необходимым обсудить используемую при культуральной работе с ними терминологию. В иностранной литературе для лабораторных манипуляций с талломами лишайников или их фрагмен-
Водоросль несимбиотическая или из другого лишайника
Целый лишайник
Диссоциация компонентов лишайника
Микобионт из фрагментов гиф, спор, конидий
Фотобионт из гимениальных водорослей, из основной части таллома
Гриб
другого
вида
Модельная ассоциация на основе микобионта
Ресинтез
Модельная ассоциация на основе фотобионта синтез
Соредии
3
Целый лишайник
Фрагменты таллома
Культура лишайника на твердой среде, "каллусная культура"
Культура лишайника в жидкой среде, "суспензионная культура"
Дифференциация таллома
Микроклональное размножение лишайников
Рис. 2. Классификация экспериментальных лихенологических подходов: а - синтетические подходы, б - культуральные подходы. На рисунке серым цветом выделены основные подходы в каждом из направлений в экспериментальной лихенологии, крапом отмечены подходы, связанные не только с лишайниками, но и с другими симбиотическими системами.
тами используют слово "culture", однако авторы вкладывают в этот термин разный смысл. Учитывая то, что экспериментальная лихенология развивалась во многом на базе подходов, заимствованных из физиологии растений, нам представляется необходимым более четко определить понятие "культура", ориентируясь на таковое, используемое в физиологии растений, где под этим термином подразумевается выращивание на питательной среде дедифференцированных частей организма в контролируемых лабораторных условиях (Бутенко, 1999). Учитывая, что у лишайников нет настоящих тканей, а имеют место плектенхимы, единственно возможным остается использование
термина "ткани" в кавычках. По аналогии нам представляется возможным применять и ряд других терминов, например экспланты, "каллусные и/или суспензионные культуры" и т.п.
ИСТОРИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПОДХОДОВ В ЛИХЕНОЛОГИИ
В лихенологии можно выделить два основных экспериментальных подхода (рис. 2): первый связан с реконструированием лишайников и созданием модельных систем (работы В. Ахмаджана, М. Галун), второй - с получением "культур тка-
а
ней" лишайников (Й. Ямамото). Первый подход основан на диссоциации исходного таллома (рис. 2, а) на составляющие компоненты и дальнейшей попыткой ресинтеза исходного образца или моделированием на его основе сходных объектов (Ah-madjian, 1973a, b). Во втором случае имеет место культивирование фрагментов талломов или получение дедифференцированных биомасс лишайника (рис. 2, б), используя фрагменты таллома, соре-дии или изидии (Yoshimura, Yamamoto, 1991; Yoshimura et al.,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.