Прогресс в сельскохозяйственном производстве и производстве продуктов питания в целом зависит от почвенных, водных и энергетических ресурсов, которые в принципе могут быть увеличены, но обычно рассматриваются как ограниченные. Достижения в этих областях зависят также от возобновляемых биологических ресурсов, таких, как культурные растения, домашние животные и микроорганизмы. Повьппение продуктивносm последних, т. е. их биологической продуктивности, является предметом активных исследований естественных наук. Удельный вес биотехнологических методов в этих исследованиях постоянно возрастает (в частности, в создании и размножении новых культивируемых сортов растений). Методы биотехнологии применяются также при использовании микроорганизмов для получения полезных веществ, приготовления продовольственных продуктов, их консервирования и улучшения питательных свойств.

В этой широкой области усилия ученых направлены на увеличение выхода продукции, повышение ее питательности, увеличение устойчивости растений к неблагоприятным погодным условиям, патогенам и вредителям наряду с поддержанием достаточного разнообразия среди культурных видов и сохранением генетических ресурсов, которые заложены в близких к ним диких видах. Концепции и методы генетики растений быстро развиваются благодаря новейшим открытиям молекулярной биологии и особым присущим растениям свойствам. Поэтому она вносит весомый вклад в проводимые исследования.

Более того, совершенствование техники культивирования растительных клеток и тканей открывает новые перспективы для улучшения культурных видов и сортов.

Улучшение культивируемых сортов и повышение их продуктивности

Исследовательская работа по селекции новых высокоурожайных сортов хлебных злаков, в первую очередь пшеницы, была начата после второй мировой войны. Новые сорта пшеницы были выведены в Мексике, рисана Филиппинах. За десять лет (1960-1970 гг.) они распространились по всему миру и, как выяснилось впоследствии, способствовали значительному повышению урожаев. Выражение «зеленая революция», появившееся в середине 1960-х гг. после введения в культуру этих сортов в отдельных странах Азии и Латинской Америки, отражало целый комплекс мер, направленных на увеличение сельскохозяйственного производства в развивающихся странах на основе использования новых сортов, особенно пшеницы и риса. Эти сорта имеют короткий и жесткий стебель, хорошо реагируют на внесение удобрений и обладают устойчивостью ко многим распространенным заболеваниям. Для культивирования данных сортов помимо удобрений и качественной сельскохозяйственной обработки требовались различные пестициды, а также орошение. Скрещивание новых сортов с местными выносливыми линиями позволило получить сорта, еще более приспособленные к условиям района их возделывания и дающие более высокие урожаи. Наряду с пшеницей такие исследования проводились с просо и сорго, тритикале (гибрид ржи и пшеницы) и кукурузой, а также с некоторыми видами бобовых.

Достигнутые результаты (селекцию новых высокоурожайных сортов) можно записать в актив традиционных исследований по генетике и усовершенствованию растений. Использованная для их получения техника заключалась в переносе методом скрещиваний целых «созвездий» хромосомных детерминант. Поскольку большинство растений, употребляемых в пищу, содержат по нескольку наборов хромосом (три-, тетра- или даже гексаплоидные виды), у потомства при таких скрещиваниях может проявляться весьма широкий спектр признаков, а роль селекционера состоит в отборе среди этого потомства особей с нужными признаками. Чаще всего благоприятными являются не все признаки особи; у хлебных злаков, например, растения с прямостоящими листьями (признак, выгодный при густой посадке) могут иметь более мелкие колосья, следовательно, они будут давать и меньше зерна. Чтобы добиться успеха в отборе линий, имеющих ряд агрономически ценных признаков, селекционеру необходимо обладать терпением и высоким мастерством.

Вторая зеленая революция, о которой начали говорить с середины 1970-х гг., хотя она не произошла и до cиx пор, станет результатом исследований, направленных на селекцию и культивирование новых растений, устойчивых к болезням, вредителям и засухе, и которые можно будет выращивать без применения удобрений или пестицидов. Такого рода исследования базируются уже не на методах скрещивания, перекрестной гибридизации и перекрестного опыления. Новые разработки, в которых используются культуры клеток, протопластов и тканей, а также методы генной инженерии, нацелены на создание культурных сортов направленным·воздействием на молекулярные и клеточные механизмы, которые обеспечивают биологическое разнообразие. Эти новые методы значительно сокращают затраты времени и труда, но им свойственна и некоторая неопределенность результатов. Техника рекомбинантных ДНК и ее последовательная адаптация к миру растений способствуют преодолению барьеров, препятствующих межвидовому скрещиванию. Она позволяет также увеличить генетическое разнообразие, которому нанесло значительный ущерб разрушение среды обитания диких.видов, что в свою очередь сделало многие культивируемые виды и сорта чрезвычайно уязвимыми для патогенных микроорганизмов и паразитов (например, в США в 1981 г. на долю двух сортов гороха приходилось до 96% сбора этой культуры, а на долю шести сортов кукурузы71%). Наряду с банками зародышевой плазмы (коллекциями семян), которые до сих пор далеки от предъявляемых к ним требований, все большую роль в обеспечении генетической изменчивости и разнообразия станут играть культуры клеток и тканей, а также скрининг миллионов клеточных линий.

Клонирование нуклеиновых кислот позволяет также выявлять вирусы в растительной ткани при выбраковке зараженных растений. Оуэне, Кресс и Динер из Исследовательской сельскохозяйственной стужбы. министерства сельского хозяйства США выделили РНК вироида веретеновидности клубней картофеля; или ВВКК, синтезировали соответствующую ей ДНК-копию и клонировали ее. Избавиться от этого вироида нелегко, а его идентификацnя в клубнях картофеля позволяет выбраковать зараженный материал и получать впоследствии хорошие урожаи благодаря использованию только здоровых клубней. Клонированная ДНК - точное и надежное средство обнаружения вирусов и вироидов, поскольку она способна к гибридизации с вирусной РНК.

Культура ткани

Культура растительной ткани, техника которой заметно усовершенствована с 1937 г., позволяет получить многочисленные популяции в сравнительно короткое время и в ограниченном пространстве; в таких популяциях могут быть получены мутанты, которые можно применять в селекционных целях. Культура растительной ткани позволяет также идентифицировать линии растений с повышенной скоростью фотосинтеза, а следовательно, и с более высокой продуктивностью. Для обозначения растений, полученных бесполым размножением, в 1903 г. Уэббер из министерства сельского хозяйства США предложил термин «клон» (греч. klо̂n - черенок или побег, пригодный для размножений растений); этот термин применяется и для обозначения «размножения» ДНК (клонирование генов в бактериях). В соответствии со строго научной терминологией клонирование подразумевает организмы, полученные из единичных клеток посредством митотических делений. Такое определение не означает, однако, точного фенотипического или генотипического соответствия между клоном и особью, из которой он произошел; в действительности в некоторых видах наблюдались значительные различия между данным клоном и его родителем.

В 1949 г. было установлено, что апикальная меристема (небольшой участок не более 0,1 мм, расположенный на кончике стебля и состоящий из недифференцированных клеток; участок постоянно растет и образует органы растения) практически не содержит вирусов. Было обнаружено, что семена, полученные от зараженного растения, также не содержат вирусов. В 1952 г. Морелю и Мартену из Национального агрономического института (Франция) удалось получить безвирусные георгины из зараженных растений. Сорт картофеля бель-де-фонтенэ, который практически исчез в результате заражения вирусом, бьm возрожден из здоровой меристемы, выделенной из зараженного растения и культивируемой in vitro.

Клетки меристемы делятся, и она образует маленькое растение с пятью-шестью листочками. Выросший за несколько недель стебель разрезают на пять-шесть микрочеренков, которые при благоприятных условиях вырастают в нормальные растения. Для каждого вида растений, размножаемого таким способом, подбор благоприятных условий требует нескольких лет работы. Но преимущества рассматриваемого метода значительны: так, при культивировании меристемы куста малины in vitro удается получать потомство численностью до 50 000 растений, тогда как обычная техника черенкования обеспечивает получение только 50 растений в год; культура меристемы персикового миндаля, который служит подвоем для прививок и с большим трудом размножается при использовании обычной методики, позволяет получить 1 млн. растений в год. Другое преимущество культуры меристемы in vitro, особенно применительно к однолетним культурам, заключается в получении молодых растений. Эта техника, которая начиная с 1%5 г. все шире используется садоводами и сотрудниками питомников в промышленно развитых странах, требует особо тщательного выбора условий культивирования и питательной среды, состав которой меняется в процессе развития растения; культуры необходимо ежедневно проверять и проводить выбраковку аномальных растений с измененным числом хромосом. Сейчас разрабатывается техника культивирования, не требующая столь высокой точности.

Описанная методика вегетативного размножения сопряжена со значительным риском, который заключается в уменьшении генетического разнообразия: поскольку все особи данного растительного вида происходят из единственной меристемы, новые болезни могут оказаться для них катастрофическими, так как эти особи, генетически идентичные (или почти идентичные) друг другу, обладают одинаковой восприимчивостью к патогенным микроорганизмам или паразитам. Поэтому наряду с развитием техники для массового производства определенных видов необходимо организовать банки зародышевой плазмы (коллекции семян), с тем чтобы сохранить генотипы, нужные для поддержания генетического разнообразия.

Некоторые культурные виды размножают вегетативным способом для сохранения существенных сортовых признаков либо потому, что они стерильны, либо из-за сложности их геномов (в этом случае половое размножение может вызвать серьезные фенотипические отклонения). У таких вегетативно размножающихся видов иногда возникают клоны, отличающиеся от родительских линий, - это так называемые соматические варианты или споры, образовавшиеся в результате генетических изменений в клетках меристемы (изменения числа хромосом в клеточном ядре, мутаций в определенных генетических локусах, модификации неядерных генов, принадлежащих хлоропластам или митохондриям). От соматических вариантов или спортов происходят некоторые культурные сорта: розовый грейпфрут, апельсин навель, нектарин и некоторые сорта картофеля. У батата, например, частота появления спортов достигает 2%, что создает серьезные трудности при поддержании сортовой чистоты обычными методами клонирования.

Успехи, достигнутые с середины 1970-х гг. в области вегетативного размножения масличной пальмы методом культуры ткани in vitro, заслуживают особого внимания с точки зрения их экономического значения. Мировое производство масла гвинейской масличной пальмы (которое экстрагируется из мякоти плодов и идет на приготовление пищевого масла и маргарина) и масла капустной пальмы (экстрагируемого из косточек плодов и используемого для производства мыла, детергентов и косметики) в 19801981 гг. достигло 4,9 млн. т. Таким образом, масличная пальма вышла на второе место среди масличных культур, Уступая только сое, производство которой за тот же период составило 13,4 млн. т. Культура гвинейской масличной пальмы (Elaeis guineensis) получила широкое распространение в 1960-1980 гг., в результате чего производство масла этой пальмы удвоилось; в 1980 г. плантат и данного вида занимали несколько миллионов гектаров во влажных тропиках Африки, Америки и Юго-Восточной Азии. Это явилось прямым результатом успехов, достигнутых в деле увеличения выхода продукции и ее улучшения. Была решена и другая важная проблема. Масличная пальма, живущая сто и более лет, становится малопродуктивной, как только дерево достигает высоты, при которой его плоды нельзя достать с земли орудием, снабженным ручкой. Эксплуатационный период продолжается 25-30 лет после прорастания; ювенильная, непродуктивная фаза длится пять лет. Таким образом, плантации должны обновляться каждые 25-28 лет, что требует миллионов молодых проростков. С другой стороны, масличная пальма, имеющая на одном растении мужские и женские цветки, принадлежит к виду, для которого необходимо перекрестное опыление; это обеспечивает высокую степень изменчивости при образовании потомства. Скрещивания, проведенные в масштабе опытной станции, позволили отобрать сорта со значительно большим выходом масла. В результате селекции, проведенной Институтом по исследованию масел и масличных культур (IRHO) Республики Кот-д'Ивуар, были получены растения, которые давали свыше 4 т масла с 1 га в год по сравнению с 1 т у обычных растений. В Колумбии, для которой характернь более равномерное распределение осадков в течение года и более плодородные почвы, урожаи достигали 6 т с 1 га в год. Усовершенствование растений методом скрещиваний сопряжено с большими затратами времени; как полагают, для удовлетворительной оценки результатов скрещивания требуется не менее десяти лет.

Именно поэтому усилия исследователей были направлены на проведение вегетативного клонирования высокоурожайных растений. Однако масличная пальма не образует побегов и боковых ростков в природных условиях, так что удаление небольших ростков из ее стебля с целью пересадки практически исключено. Ученым пришлось обратиться к культуре ткани in vitro. В опытах с масличной пальмой размножение черенкованием in vitro, при котором используются небольшие отрезки стебля с несколькими почками, невозможно; в результате от культивирования меристем пришлось отказаться. Было решено получить скопления клеток недифференцированной ткани, или каллюсы, путем «дедифференцировки» специфических тканей, · а затем культивировать эти каллюсы вплоть до регенерации целых проростков. Английские ·исследователи из «Юнилевер К°» и их французские коллеги из IRHO и Заморского управления научных и технических исследований (ORSTOM) успешно овладели этой техникой. Работа была начата в 1970 г. в лабораториях ORSTOM в Бонди под· руководством Рабешо. Методика, разработанная специалистами IRHO и ORSTOM, состояла в удалении самых молодых листьев с верхушки дерева без повреждения меристемы верхушечной почки (в противном случае дерево неизбежно погибнет).

В первой культуральной среде каллюсы из фрагментов листьев развивались в течение 90 дней; при последующем переносе во вторую, а затем в третью культуральную среду каллюсы превращались в «эмбриоиды», вполне сравнимые с эмбрионами, получаемыми при половом размножении (процесс соматического эмбриогенеза впервые наблюдался на тканях моркови, культивированных in vitro, а затем и на других видах растений). Эмбрионы размножались самопроизвольно, причем их размножение в четвертой культуральной среде усиливалось. В течение месяца число эмбрионов могло возрасти втрое, так что примерно из 10 эмбрионов можно было получить за год потомство численностью более 500 000 растений. Пятая культуральная среда давала возможность эмбрионам развиться в молодые проростки с листочками, а шестая и седьмая среды индуцировали рост корней. Развитие растения от «эмбриоидной» стадии до стадии проростка с надземной частью высотой около 12 см происходило за три месяца. Как и при проращивании семян, проросткам обеспечивалась необходимая освещенность и влажность, а также защита от вредителей пестицидами. После цветения и плодоношения полученные таким способом растения исследовались с целью определения сходства с исходными особями, особенно с точки зрения продуктивности.

На опытной станции Ла-Ме (Республика Кот-д'Ивуар), метод клонирования для получения проростков применяют в полупромышленном масштабе с 1981 г. Исследователи стремились получить клоны из взрослых деревьев, различающихся по своим агрономическим и физиологическим свойствам, чтобы сохранить разнообразие растений, происходящих из этих клонов; последнее очень важно для предотвращения одновременного появления на них мужских и женских цветков (что должно препятствовать перекрестному опылению) и для обеспечения их высокой устойчивости к паразитам и патогенным микроорганизмам. Первоначально таким способом выращивали 40 деревьев в год; к 1983 г. предполагалось создать первую плантацию для изучения свойств полученных клонов, а также для точного определения роли генотипа и условий внешней среды в развитии тех или иных свойств. Выбор пал на эту станцию в Республике Кот-д'Ивуар потому, что она располагала самой большой в мире коллекцией селекционного материала, что давало возможность отобрать деревья, наиболее подходящие для воспроизведения вегетативным размножением. Станция в Ла-Ме должна была также снабжать клонированным материалом другие страны Западной Африки - производители масличной пальмы. Были даже подписаны соглашения об обмене растительным материалом и информацией по технике клонирования с институтами Колумбии, Индонезии и Малайзии. Собственные лаборатории для производства клонированного материала в коммерческих целях планировала организовать и компания «Юнипамоль» (филиал «Юнилевер»). Таким образом, миллионы проростков масличной пальмы с точно определенными признаками станут доступными для распространения среди заинтерес-ованных тропических стран.

По данным Лиоре (1982), затраты на создание плантации масличной пальмы с использованием семенной рассады в 1980-1981 гг. составляли 6000-9000 долл. на 1 га. Более высокая стоимость клонированного материала обусловливала на первых порах дополнительные капиталовложения, составляющие 7-12% от общей стоимости плантации; которая использовала семенную рассаду, однако ожидаемое при этом увеличение производства (в среднем на 20-30% в год) позволяло значительно быстрее окупить вложенные средства. Такое увеличение производства было вполне оправдано, поскольку мировые потребности в масле и жирах были весьма велики: по оценкам ФАО; в 1978 г. среднее потребление жиров на душу населения в промышленно развитых странах составляло 20,6 кг/год, тогда как в развивающихся странах всего 5,5 кг/год. Масличная пальма культивируется почти исключительно в развивающихся странах, которые экспортируют около четверти продукции в индустриальные страны, а остальную часть потребляют сами. Увеличение производства благодаря использованию клонированного материала позволит этим странам не только удовлетворять собственные возрастающие потребности, что связано с ростом численности населения, но и устранить серьезный дефицит жиров и приблизиться к нормам сбалансированного питания.

Культуры клеток и протопластов

С тех пор как удалось индуцировать регенерацию целого растения из отдельной клетки, техника культуры клеток стала все шире применяться для клонирования. Эта тотипотенция, идея которой была сформулирована Стюардом из Корнеллского университета, была продемонстрирована в 1965 г. на культурах тканей ряда видов, а позднее на соматических и половых клетках, изолированных из обширной группы растений. В 1971 г. Такебе и его сотрудники, обрабатывая клетки листа табака для растворения клеточных стенок сочетанием целлюлазы и пектиназы, добились успеха в получении протопластов. Протопласты культивировали в среде, в которой они могли делиться и формировать каллюс, способный к регенерации с образованием целого растения. Эти первые эксперименты, проведенные на протопластах табака, показали, что более 90% всех протоклонов, т. е. клонов, которые получены из протопластов, удивительно сходны с родительскими линиями как по фенотипу, так и по генотипу.

Таким образом, протопласты табака позволили преодолеть обычную изменчивость, характерную для других способов получения клонов. Обнаруженная стабильность была подтверждена и для некоторых других видов растений.

Вместе с тем, несмотря на активные исследования, Проводимые с 1905 г. в Европе и Северной Америке; до сих пор не удалось вывести сорт картофеля, который обладал бы множественной устойчивостью к основным серьезным болезням, способностью быстро адаптироваться к новым биогеографическим условиям и нyжными агрономическими характеристиками, особенно высокой урожайностью. В США на долю четырех сортов картофеля приходится свыше 72% всех площадей, занятых этой культурой. Наиболее распространенным из них является сорт Рассет Бербанк. В Европе наиболее широко расцространены сорта, выведенные в 1930-е гг., такие, как нг Эдуард и Бинтье.

Сорт Рассет Бербанк существует с 1875 г., когда ботаник Лютер Бербанк отобрал один сеянец среди потомства единичной картофельной ягоды. Сеянец был размножен клубнями, т. е. вегетативным способом; так было положено начало сорту Бербанк. В самом начале ХХ в. был получен соматический вариант, или спорт, линии Бербанк, названный Рассет Бербанк из-за красновато-коричневой окраски клубней. Чтобы по достоинству оценить достижение Бербанка, необходимо иметь в виду, что американские селекционеры, испытавшие с начала 1930-х гг. свыше 20 млн. сеянцев картофеля, так и не добились успеха в выведении сорта столь же удачного, как сорт Рассет Бербанк.

Сорта картофеля, относящиеся к подвиду Solanom tuberosum ssp. tuberosum, являются тетраплоидами (2N = 4X = 48). В 1980 г. генетика картофеля значительно отставала от генетики томатов и кукурузы, поэтому программам улучшения картофеля придавалось важное значение. В США, например, для отбора пригодного сорта ежегодно выращивалось 60 000-80 000 сеянцев (данные на 1980 г.). Главная цель состояла в повышении устойчивости растений к патогенным агентам (до 22% мирового урожая картофеля теряется в результате гибели растений от болезней и вредителей только в США этот ущерб составляет более 200 млн. долл.).

В 1977 г. Шепард и Тоттен разработали технику регенерации растений из протопластов клеток листа сорта Рассет Бербанк. В течение двух недель протопласты формировали свои клеточные стенки, делились и образовывали каллюс. Затем их последовательно переносили в три культуральные среды, так что конце концов из них возникали целые растения (см. фото 14). Таким способом Uiепард и его коллеги (1980) исследовали свыше 10 000 протоклонов сорта Рассет Бербанк.

В 1982 г. Шепард установил, что в отличие от протоклонов табака протоклоны сорта Рассет Бербанк не идентичны родительским линиям и могут значительно отличаться друг от друга. У некоторых из них (названных фенотипическими вариантами) различия между отдельными особями были незначительными и большинство признаков (а главное, исходное число хромосом-48) сорта Рассет Бербанк было сохранено. Однако, изучая группу из 65 отобранных протоклонов Рассет Бербанк, выращиваемых в течение ряда лет в полевых условиях, а не в лаборатории, Шепард вместе с иссдедователями из Университета шт. Северная Дакота установил, что по большинству избранных для сравнения сельскохозяйственных признаков у этих клонов имеются фенотипические различия. Оказалось, что по совокупности всех признаков ни один из 65 изученных протоклонов не был сходен с остальными и ни один из них не является точной копией исходной родительской линии. Что же касается урожайности картофеля в расчете на 1 га, то американские ученые не обнаружили у отобранных протоклонов каких-либо преимуществ по сравнению с родительским клоном, а если такие преимущества и были, они наблюдались далеко не на всех плантациях.

Исследования Шепарда и его коллег показали, что клоны, полученные из протопластов листа Рассет Бербанк, не идентичны, а наблюдавшиеся фенотипические отклонения вызваны генетическими модификациями в соматических клетках, точная природа которых все еще остается невыясненной. Описанная техника может иметь далеко идущие последствия для агрономии: она открывает возможность более эффективной селекции в лабораторных условиях клеток и клеточных популяций, которые дадут начало растениям, обладающим весьма полезными признаками. Такая работа уже проведена на Протопластах табака, петунии и некоторых других видов для изменения признаков с простым механизмом наследования, в частности устойчивости к гербицидам. Идентификация более сложных признаков представляется более трудной задачей, поскольку селективные системы должны быть основаны на физиологических или генетических особенностях вида. В качестве примера сошлемся на сорт картофеля Бизон, который образует клубни с красной кожицей; при культивировании в определенных условиях протопласты, выделенные из клеток листа этого сорта, теряют свою зеленую окраску и начинают синтезировать антоцианы; если требуется идентификация генома сорта Бизон, генетическим маркером в экспериментах по скринингу может служить экспрессия гена (генов), ответственного за продукцию антоцианов.

По-видимому, из каллюса, образованного протопластами, можно также индуцировать развитие картофельных клубней. Тем самым открывается возможность селекции протоклонов, у которых способность к формированию клубней менее чувствительна к воздействию температуры и продолжительности светового дня.

К ведущим исследовательским центрам в области биотехнологии растений в США следует отнести Международный институт исследования растений (IPRI) в СанКарлосе (шт. Калифорния), основанный в 1978 г., и компании «Агригенетикс корп.» в Мэдисоне (шт. Висконсин) и «Эдвансд генетике сайенс, лтд.». Штат IPRI насчигывает 140 человек, из них 100 исследователей; к июню 1982 г. численность персонала должна бьша достигнуть 200 человек. Новейшие исследования были направлены на выведение новых высокоурожайных линий картофеля, сортов пшеницы, способных pacm при орошении водой, содержащей значительную примесь морской воды, линий безвирусного маниока, которые давали бы урожай в несколько раз больший, чем обычные сорта. Результаты, полученные в лабораторных условиях, предполагалось быстро проверить в поле, что позволило бы значительно расширить сельскохозяйственные исследования. Появилась возможность применить технику регенерации целых растений из клеточных культур и каллюсов для выведения сортов таких важных культурных видов, как маниок и соя, а также для изменения сортов хлебных злаков, которые не удавалось регенерироватъ из тканевых в клеточных культур.

Биотехнологическая корпорация стран АСЕАН, являющаяся общим филиалом Международного института исследований растений (IPRI) и компании «Сайм дарби берхад» (Куала-Лумпур, Малайзия), планирует специализироваться в биотехнологических исследованиях растений Юго-Восточной Азии, направленных прежде всего на повышение эффективности и скорость фотосинтеза.

Слияние протопластов: гаплоидные растения

Как полагают, техника слияния протопластов позволит генетикам растений расширить разнообразие получаемых гибридных растений. Эта весьма перспективная техника гибридизации не зависит от обычного полового размножения, посредством которого удалось, хотя и с определенными трудностями, получить гибриды пшеницы с рожью (тритикале) и репы с капустой: (рафанобрассика). В 1978 г. было проведено успешное слияние протопластов картофеля и томатов. Полученные в результате растения «поматы» представляют не только значительный научный интерес, но и могут иметь агрономические преимущества, поскольку они образуют такие же большие клубни, как картофель, и более крупные плоды, содержащие алкалоиды, унаследованные от родителей (томатин и соланин). В отличие от томатов картофель принадлежит к видам, которые с большим трудом поддаются генетическому улучшению. Факторы устойчивости к болезням, скомбинированные в донорном сорте томатов, при применении метода слияния протопластов могут быть перенесены в сорт картофеля в ходе одной операции; аналогичная работа, проведенная с использованием обычных селекционных приемов, заняла бы около двух десятков лет. Осуществлено слияние протопластов растений, относящихся к разным видам, родам и семействам, проведены также исследования по разработке методов регенерации целых растений из протопластов после слияния.

В диплоидных растениях мутации очень редко затрагивают оба аллельных гена в гомологичных хромосомах; особь обычно гетерозиготна (два гена различаются), при этом проявляется действие только доминантного (но не Рецессивного) гена. Поскольку мутации чаще рецессивны, чем доминантны, их довольно сложно выявить, и только определенные типы скрещиваний позволяют это сделать. В гаплоидных же растениях, которые содержат только одну из каждой пары гомологичных хромосом, мутации проявляются немедленно, что облегчает наблюдение за выражением хромосомного признака и открывает путь к улучшению тех или иных видов растений. Гаплоидные особи стерильны, но можно искусственно (например, с помощью колхицина) удвоить набор их хромосом и получить плодовитые диплоидные гомозиготные растения.

В 1964 г. индийские исследователи Гуха и Махесвари культивировали в искусственной среде пыльники растений Datura, пыльцевые зерна которых образовали эмбрионы, а затем и гаплоидные растения. Сангван и Сангван-Норилл (1976) добились успеха в культивировании пыльцевых зерен, выделенных из пыльников двух растений семейства Solanaceae: Petunia hybrida и Datura innoxia. Им удалось получить жизнеспособные растения; пыльцевые зерна табака развивались несколько дней в своих пыльниках, и только после этого их выделяли для культивирования. Культуральная среда в таких опытах содержит минеральные соли, витамины, аминокислоты, сахара и определенные фитогормоны. В 1 мл среды содержится 10 000 пыльцевых зерен, но даже при самом тщательном соблюдении необходимых условий лишь очень немногие из них дают начало развитию андрогенетических растений (в опытах с Datura-8,6%).

Культура пыльцевых зерен стала основным источником гаплоидных растений у декоративных, овощных, зерновых и кормовых видов. Пыльцевые зерна могут оказаться более удобными, чем протопласты, для экспериментов по генетической трансформации, предназначенных для получения растений с заданными свойствами.

Культура растительных клеток и производство полезных соединений

Культивирование растительных клеток в крупных масштабах было освоено в 1976 г. японскими исследователями, которым удалось получить биомассу в объеме 20 м³. Каки в опытах с микроорганизмами, для экстракции полезных соединений из такой растительной биомассы клетки необходимо разрушить. Однако получение массы растительных клеток обходится намного дороже, чем эквивалентное количество бактерий или дрожжей. поэтому ученые старались избежать разрушения клеток. Наиболее практичным решением как для осуществления полного биосинтеза полезных соединений, так и для биопревращений доступных веществ представляется иммрбилизация растительных клеток внутри пористых полимеров. В целях рентабельности такой системы необходимо, чтобы клетки в полимерах оставались живыми достаточно долго. Доказано, что клетки удается поддерживать жизнеспособными в течение нескольких сотен дней. Остается найти простой способ извлечения синтезированных метаболитов, поскольку они обычно накапливаются в клеточных вакуолях, а не выделяются в среду. По мнению многих специалистов, ныне это является основной проблемой, осложняющей использование растительных клеток для производства полезных соединений.

Другая трудность состоит в получении достаточных количеств гомогенного растительного материала и стабильных штаммов. Для этого требуются месяцы или даже годы работы в зависимости от используемого вида. Более того, разнообразие биохимических реакций, наблюдаемое в культуре клеток, не всегда удается точно воспроизвести, поэтому необходимо поддерживать коллекцию с большим количеством разнообразных штаммов, чтобы не утратить те из них, в которых синтезируется новое соединение. Еще одно требование заключается в использовании высокоспецифичных методов скрининга, с помощью которых можно было бы точно идентифицировать все синтезирующиеся вещества, в том числе и новые соединения, присутствующие в незначительных количествах; это особенно важно для всех культур тропических растений, биохимия которых изучена слабо. Таким образом, специализированные коллекции штаммов могли бы не только обеспечивать сохранение генофонда, но и способствовать открытию новых веществ, обладающих терапевтическим действием.

Знания и практический опыт, накопленные относительно иммобилизации бактериальных клеток и их ферментов, а также функционирования таких биореакторов, несомненно, внесут весомый вклад в развитие технологии, применяемой для культуры растительных клеток. Их широкое биологическое разнообразие станет доступным для использования в прикладной биохимии (табл. 3).

Таблица 3. Разнообразие соединений, идентифицированных в культурах клуток и тканей растений in vitro, и возможные области применения этих соединений.
Идентифицированные соединения (без указания экономического значения из производства в промышленных масштабах с использованием культивирования in vitro

С 1973 г. и особенно после решающих успехов в экспериментах с рекомбинантными ДНК в бактериальных клетках интерес к генной инженерии растений значительно возрос. В США, например, на исследованиях в этой области сконцентрированы усилия ученых более десятка университетов и частных лабораторий: в 1981 г. ассигнования федерального бюджета на эти цели составили 6 млн. долл., а частные компании выделили на них от 100 млн. до 1 млрд. долл.