УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 6, с. 602-611
УДК 633.11.581.143.5.
РОЛЬ ЛЕКТИНА ПШЕНИЦЫ И АБСЦИЗОВОЙ КИСЛОТЫ В РЕГЕНЕРАЦИИ РАСТЕНИЙ
© 2004 г. И. Ф. Шаяхметов
Башкирский государственный университет, Уфа
Приведен обзор экспериментальных работ по использованию абсцизовой кислоты и лектинов пшеницы для повышения регенерационной способности культивируемых in vitro тканей. Показано положительное влияние абсцизовой кислоты на активацию соматического эмбриогенеза и некоторые ее механизмы. Предполагается, что высокое содержание лектинов в эмбриогенном каллусе является не причиной, а следствием морфогенетических процессов.
Клеточные и генно-инженерные технологии злаковых культур связаны с решением одного из важнейших вопросов морфогенеза - регенерации растений из длительно культивируемых каллус-ных тканей.
Успешная регенерация злаковых растений в культуре тканей впервые была показана в опытах на кукурузе [70]. Позднее было установлено, что каллусная ткань, образующаяся из зрелых и незрелых зародышей злаков, морфологически гетерогенна и обладает разной способностью к морфогенезу [6, 8, 33, 37, 86]. Основу морфогенеза составляет цитодифференцировка, которую можно определить как выбор клетками одной из многих программ, заданных генотипом данного организма. Реализация программы дифференциации клеток в индуцированной каллусной ткани в значительной степени определяется содержанием в клетке физиологически активных веществ (фи-тогормонов, ферментов, структурных белков и др.) [9, 28], а также способностью генотипа формировать морфогенетические очаги в культивируемых in vitro тканях [16, 23, 24, 61, 69]. Этим обусловлена необходимость определения эмбри-огенного статуса изучаемых сортов в каждом конкретном случае [10, 72, 77]. В то же время продолжительное культивирование изолированных клеток и тканей в различных технологиях (например, клеточной селекции) значительно снижает их морфогенетическую способность независимо от свойства исходного генотипа [6, 27, 36, 52, 73, 95, 100, 112]. Таким образом, поиск путей активации регенерационной способности является актуальной задачей, от решения которой зависит результативность работ по биотехнологии растений, связанных с процессами органогенеза и регенерации растений после многократного субкультивирования.
Регенерационная способность культивируемых клеток включает как соматический эмбриогенез, так и органогенез. Соматический эмбрио-
генез или эмбриоидогенез, по терминологии, предложенной Батыгиной [5] для отличия этого процесса от зиготического эмбриогенеза, предшествует образованию корней и стеблевых органов. Процесс органогенеза изучен более подробно. Установлено, что необходимым условием его протекания является определенное соотношение между содержанием ауксинов и цитокининов. Этим успешно пользуются клеточные технологи для получения растений-регенерантов из соматических эмбриоидов.
К настоящему времени вопросы реализации морфогенетического потенциала растений освещены в различных обзорах [3, 7, 12, 25, 26, 41]. Морфогенез и обусловливающая его дифференциация клеток особенно интенсивно изучаются методоми био- и цитохимии [2, 20, 35, 71], что позволяет ближе подойти к пониманию сущности взаимосвязи между структурой и биохимическими процессами, происходящими в клетках каллус-ных культур по мере роста и дифференциации. Тем не менее вопросы, связанные с проблемой повышения регенерационной способности культивируемых in vitro соматических клеток, до конца не выяснены.
Одним из подходов к решению проблемы соматического эмбриогенеза является определение различий в биохимической организации каллус-ной ткани с разной морфогенной потенцией с целью выявления маркерных компонентов (факторов морфогенности), предопределяющих эмбри-огенную способность растущих в системе in vitro тканей и клеток [12, 18, 28]. К числу таких компонентов отнесены изоформы пероксидазы и глута-матдегидрогеназы у кукурузы [68], Р-глюкурони-дазы у моркови [85], некоторые электрофорети-ческие компоненты легкорастворимых белков у риса [59], ячменя [92], гороха [106] и ряд экстраклеточных белков, выявляемых на начальных этапах эмбриогенеза [62, 84], а также пролин [21].
Маркером соматического эмбриогенеза может быть также агглютинин зародыша пшеницы (АЗП) или лектин пшеницы (ЛП), о чем свидетельствуют его специфическая локализация в зи-готических зародышах и активный синтез в тканях растений в культуре in vitro [82]. В связи с этим в настоящей работе наиболее подробно рассматриваются вопросы морфогенеза с участием двух физиологически активных и метаболически тесно связанных веществ - лектина и абсцизовой кислоты.
О РОЛИ ЛЕКТИНА ПШЕНИЦЫ В МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
В ряду предполагаемых функций лектинов, обладающих характерной способностью специфического связывания с углеводами, особое место, наряду с защитными свойствами, занимает участие их в делении клеток [87], т.е. они могут играть существенную роль в морфофизиологиче-ских процессах у растений. Так, лектины, нанесенные на рыльце растений свеклы, приводили к нормализации роста пыльцевых трубок [31]. Лектины, выделяющиеся в инкубационную среду при набухании семян пшеницы, ингибировали прорастание спор возбудителей патогенных грибов [32, 80, 81]. Участие лектинов в механизме перехода от вегетативного состояния растений к генеративному [17], а также в межклеточных взаимодействиях при дифференциации клеток и тканей [15, 60] свидетельствует о положительной роли лектинов в процессе соматического эмбриогенеза. Различие в содержании лектина в морфоген-ных и неморфогенных каллусах пшеницы отмечено в некоторых работах [13, 82, 91], однако, его физиологическая роль в соматическом эмбриогенезе до конца не выяснена. Сравнительный анализ содержания лектинов в интактных растениях различных сортов пшеницы и полученных из них каллусных тканях, различающихся по морфоген-ной активности, показал значительную вариабельность сортов по содержанию ЛП [38]. Обнаружено, что концентрация лектинов в проростках колеблется в пределах от 9.8 мкг/г сырой массы у сорта Симбирка, до 18.7 мкг/г у сорта Харьков-ская-46. Значительно более высокие показатели получены при определении ЛП в корнях проростков 33.7 у сорта Симбирка и 58.6 мкг/г у сорта Харьковская-46; возможно, это связано с тем, что более 50% лектинов локализовано в корневой части. Исследованные сорта характеризовались также большим разнообразием по содержанию лектинов в зрелых семенах, что согласуется с ранее полученными результатами [81]. Наибольший уровень ЛП - 39.0 мкг/г обнаружен у сорта Харьковская-46, наименьший у сорта Жница -13.4 мкг/г. Основная часть ЛП в зрелых семенах,
как известно, локализована в зародышах, эндосперм же довольно беден лектинами [36].
Значительные различия обнаружены также при изучении содержания ЛП в каллусной ткани пшеницы [38]. Высоким содержанием лектинов характеризовался морфогенный тип каллуса, причем такая закономерность наблюдается независимо от генотипа. Так, по содержанию ЛП морфогенный тип каллуса сорта Симбирка превосходил неморфогенный тип в 3 раза, Жницы - в 8, Московской-35 - в 66, Безенчукской-139 - в 3.5 и Харьковской-46 - в 2.2 раза. При сопоставлении показателей ЛП каллусных тканей разных сортов пшеницы обнаружили, что генотипы твердых пшениц характеризуются 2-4-кратным превышением содержания лектинов по сравнению с мягкими сортами. Повышенный уровень лектинов сохранялся и в проростках сортов твердой пшеницы. Сравнение уровня содержания ЛП в семенах, проростках и каллусных тканях разных сортов пшеницы показало, что наибольшее количество лектинов содержится в каллусной ткани морфо-генного типа, особенно сортов твердой пшеницы. По содержанию ЛП в порядке убывания органы растений можно распределить в ряд: корни-зре-лые семена-проростки. Неморфогенная каллус-ная ткань характеризуется низким содержанием лектинов у всех исследованных сортов. Следует подчеркнуть, что зрелые семена представляют собой практически сухое вещество и, соответственно, нельзя сравнивать их с вегетирующими органами растений и каллусной тканью.
Такие резкие различия между морфогенными и неморфогенными каллусами по содержанию лектинов позволяют предположить, что этот белок может лимитировать процесс эмбриогенеза. В связи с этим была предпринята попытка смоделировать данный процесс путем введения экзогенных лектинов в питательную среду с неморфо-генным каллусом [45]. Максимальная концентрация лектинов, вводимых в качестве добавки в среду культивирования, составляла 80 мкг/мл, что приблизительно соответствует содержанию эндогенного лектина в морфогенном каллусе сорта Безенчукская-139 и в несколько раз превышает концентрацию лектинов в морфогенных каллусах мягкой пшеницы. Результаты этого опыта показали, что неморфогенная каллусная ткань, помещенная в питательную среду, активно росла во всех вариантах опыта (с экзогенным лектином и без него) и в течение первого срока культивирования биомасса в контрольном варианте у сортов Безенчукская-139 и Симбирка увеличилась приблизительно в 3 раза, к концу второго срока культивирования у сорта Безенчукская-139 масса каллуса возросла в 3.5 раза по сравнению с массой первого срока культивирования. Рост каллусной массы сорта Симбирка в этот период происходил менее интенсивно - масса увеличивалась
лишь в 2 раза. Различия в интенсивности роста каллусной ткани сортов Безенчукская-139 и Сим-бирка, по-видимому, обусловлены генотипом изучаемых сортов.
Пересадка испытуемых тканей на среду регенерации показала, что культивирование каллусной ткани в присутствии лектинов не сопровождалось увеличением числа регенерантов по сравнению с контролем. Очевидно, введение в питательную среду экзогенных лектинов не стимулирует дифференциацию клеток неморфоген-ного каллуса.
Таким образом, налицо явно выраженные различия между сортами мягких и твердых пшениц по содержанию лектинов в каллусных тканях. При этом морфогенный тип каллуса у всех исследованных сортов характеризуется значительно более высоким содержанием лектинов по сравнению с неморфогенным. Важно отметить, что уровень лектинов в
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.