УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2010, том 130, № 3, с. 247-257
УДК 633.11:581.143.5
МОРФОГЕНЕЗ В АНДРОКЛИННЫХ КАЛЛУСАХ ЗЛАКОВ: ЦИТО-ГИСТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
© 2010 г. Н.Н. Круглова, О.А. Сельдимирова
Институт биологии Уфимского научного центра РАН, Уфа
Обсуждаются аспекты индукции и способы реализации морфогенетического потенциала клеток андроклинных каллусов злаков в условиях in vitro. Дана общая характеристика каллуса, рассмотрены начальные этапы развития инициальных клеток каллусов, проанализированы различные типы каллусов, их цито-гистологический статус, пути морфогенеза в андроклинном каллусе.
ВВЕДЕНИЕ
Современное развитие биотехнологии растений требует новых фундаментальных данных о морфогенезе как в естественных условиях, так и в культуре in vitro. Один из наиболее перспективных экспериментальных подходов в изучении тонких особенностей морфогенеза - метод культуры in vitro изолированных пыльников. Данный метод основан на использовании явления андро-генеза in vitro [58], или, корректнее - андрокли-нии - феномена образования растений-регене-рантов из микроспор/клеток пыльцевого зерна. Как правило, под воздействием внешних стрессовых факторов такие морфогенетически компетентные клетки пыльника "переключают" программу развития с обычного для естественных условий гаметофитного пути на принципиально иной - спорофитный. В ходе развития in vitro по спорофитной программе такие клетки формируют андроклинные каллусы, часть клеток которых реализует свой потенциал различными путями морфогенеза in vitro [55].
До настоящего времени не полностью выявлены цито-гистологические особенности морфогенеза андроклинных каллусов. Во многом открытыми остаются вопросы о путях морфогенеза in vitro клеток андроклинного каллуса после переноса на питательную среду для регенерации и о возможности управления этими путями в контролируемых условиях in vitro в нужном для исследователя направлении. При этом особый интерес вызывает тот путь морфогенеза, который приводит к формированию растений-регенерантов, способных к образованию полноценных семян и тем самым - дальнейшей репродукции. Так, биотехнологов в данном случае интересуют те пути
морфогенеза, которые ведут к регенерации полноценных растений. Эти же пути интересуют и эмбриологов, изучающих различные способы и типы репродукции и размножения растений.
В то же время важно выявить все пути, по которым реализуется морфогенетический потенциал клеток каллуса. Как полагает Батыгина [1], морфогенетические потенции клеток каллуса ви-доспецифичны и могут меняться в процессе развития, что зависит как от различных факторов (температура, влажность, сроки культивирования), так и от характера связей между группами клеток в каллусе, что, в свою очередь, обусловлено их формой и размером (критической массой).
К указанным автором факторам следует добавить и фитогормональный состав питательной среды. Хорошо известно, что фитогормоны играют роль основных регуляторов морфогенеза растений как в естественных условиях [34, 37, 38, 42], так и в условиях культуры in vitro [8, 13, 31, 37, 48 и др.]. Накоплен достаточный эмпирический материал по изучению влияния различных экзогенных фитогормонов на морфогенез в культуре in vitro, однако при этом получены противоречивые результаты. Кроме того, недостаточно изучен важный вопрос о соотношении эндогенных фитогормонов (в составе каллуса), которые играют роль сигналов внутренней среды, и экзогенных фитогормонов (в составе культуральной среды) - сигналов из внешней среды, в регуляции путей морфогенеза in vitro клеток андроклинных каллусов. Практически не разработан вопрос о локализации фитогормонов в клетках андроклин-ных каллусов.
Данная статья - продолжение серии публикаций авторов, посвященных изучению различных
аспектов феномена андроклинии у злаков. Цель статьи - дать анализ работ, посвященных цито-гистологическому исследованию индукции, развития и способов реализации морфогенетичес-кого потенциала клеток андроклинных каллусов злаков в условиях in vitro.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАЛЛУСА
Первые работы, посвященные получению каллуса in vitro из изолированных частей растений, например сегментов мезофилла листа, и изучению каллусогенеза, появились еще в конце XIX -начале XX вв. (цит. по: [39]). Сообщение о способности пыльцевых зерен в условиях in vitro к индукции гаплоидной каллусной ткани (на примере Ginkgo biloba L.) впервые встречается в работе Ть юлеке [121]. Однако до настоящего времени не предложено однозначного определения каллуса. По мнению Доддса и Робертса [74], каллус - неорганизованная меристематическая или опухолеподобная масса растительных клеток, формирующаяся in vitro. В словаре, приведенном Пьериком [103], дается следующее определение: каллус - активно делящаяся ткань, состоящая из неорганизованных и дифференцированных клеток. С точки зрения Терци и Санга [115], каллус -произвольно пролиферирующая ткань, растущая или на твердой поверхности (каллус в строгом смысле слова), или в суспензии в жидкой среде. В работе Муромцева и др. [39] каллусом названа ткань, возникшая путем неорганизованной пролиферации клеток растений. По мнению Батыгиной [1], каллус - гетерогенная интегрированная структура (система), образующаяся в результате пролиферации клеток на поверхности отдельных структур растительного организма; каллус формируется, как правило, из исходно разных клеток генеративных или вегетативных органов; состоит из групп неоднородных клеток, имеющих мор-фогенетические потенции, которые реализуются различными путями (эмбриоидогенез, органогенез, гистогенез).
Способность к формированию каллуса как in vivo, так и in vitro обнаружена у представителей всех порядков и классов растений, причем почти во всех частях растения. В природных условиях каллусы (например, капы) образуются как результат механического воздействия или влияния микроорганизмов и насекомых.
Для характеристики каллуса, возникшего в культуре изолированных пыльников, предложено использовать термин "микроспориальный каллус" ("microsporial callus") в узком смысле, если
прослеживается генезис каллуса именно от микроспоры, и "андроклинный каллус" ("androclin-ic callus") в широком смысле, если инициальная клетка каллуса, полученного в результате культивирования пыльников in vitro, не идентифицирована [23, 25-27]. Широко распространенный термин "андрогенный каллус" ("androgenic callus"), на наш взгляд, не вполне допустим, поскольку необходимо различать понятия "андрогенез in vitro" и собственно "андрогенез" [49, 50].
Отмечено морфологическое разнообразие ан-дроклинных каллусов. Большинство авторов выделяют два контрастных типа каллусов, различающихся окраской, структурой и консистенцией: морфогенные - как правило, белого цвета, компактные, узловатые, плотные, и неморфогенные -как правило, желтоватого или светло-коричневого цвета, мягкие, рыхлые, водянистые [32, 40, 57, 66, 67, 78, 98, 110, 118].
На примере культивируемых незрелых зародышей ржи показано, что образование морфогенно-го каллуса определяется рецессивными генами, тогда как неморфогенного - доминантными [107]. Такого рода данные, касающиеся морфогенных/ неморфогенных андроклинных каллусов, в литературе не отмечены, однако можно предположить, что и в этом случае действует та же генетическая зависимость.
Таким образом, в литературе отмечается наличие двух наиболее контрастных типов андроклин-ных каллусов - плотного узловатого и рыхлого обводненного, причем плотный каллус характеризуется как морфогенетически перспективный, а рыхлый - отбраковывается. Разрабатываются фи-тогормональные способы регуляции морфогенеза микроспоры in vitro, ведущие к получению и использованию в экспериментальной работе только плотных белых морфогенных андроклинных каллусов (например, у пшеницы [32, 33, 45, 55]).
В то же время морфологические признаки все же не в полной мере отражают морфогенетичес-кий потенциал андроклинных каллусов. Так, например, у ряда злаков (пшеницы [66, 77], кукурузы [61], гибрида райграса и овсяницы [125]) зарегистрированы андроклинные морфогенные каллусы рыхлой консистенции. Аналогичные данные получены в культуре пыльников других растений (сливы [102], огурца [59], банана [60], нима [69], маниока [56], иохромы [68], спаржи [91], баклажана [95], томата [124]), а также в кал-лусных культурах, выделенных из вегетативных органов, например листа кормовой свеклы [16]. Кроме того, детальный гистологический анализ рыхлых андроклинных каллусов пшеницы, мор-
фологически идентифицированных как немор-фогенные, позволил установить, что при определенном фитогормональном составе питательной среды часть таких каллусов может содержать в своем составе меристематические клетки, способные к дальнейшему формированию органов (авторы назвали такие каллусы потенциально морфогенными) [32].
Такие наблюдения заставляют пересмотреть уже сложившиеся представления о неморфоген-ной природе рыхлых каллусов. Более того, рыхлый эмбриогенный каллус вызывает большой интерес исследователей, поскольку, с одной стороны, сохраняет регенерационную способность в течение длительного времени, с другой - является ценным источником клеточных суспензий и протопластов, также обладающих регенерацион-ной способностью.
Многими авторами показано положительное влияние генотипа на отзывчивость пыльников в культуре in vitro, в том числе и на формирование андроклинных каллусов. Обзор такого рода исследований - тема отдельной работы авторов.
ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ МОРФОГЕННЫХ АНДРОКЛИННЫХ КАЛЛУСОВ ЗЛАКОВ НА ИНДУКЦИОННОЙ СРЕДЕ IN VITRO
Рассмотрим цито-гистологические особенности формирования и развития "типичного" плотного морфогенного андроклинного каллуса.
Следует отметить, что в литературе отсутствует периодизация развития андроклинного (как и любого другого) каллуса in vitro. По-видимому, этот вопрос надолго останется открытым, поскольку каллус представляет собой гетерогенную систему групп клеток, при этом каждая из клеточных группировок развивается по своим морфоге-нетическим закономерностям. Детальные цито-гистологические данные, полученные в культуре пыльников яровой м
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.