Криобиологические сосуды > Сельское хозяйство и биотехнология > Использование протопластов в селекции растений

Использование протопластов в селекции растений


Изменчивость высших растений определяется в основном пере­распределением генов при половом размножении. Хотя такая изменчивость и важна с эволюционной точки зрения, она слу­жит помехой при разведении сортов растений с желаемым на­бором признаков. К счастью, не все цветковые растения раз­множаются только половым путем. У многих из них образуются особые органы вегетативного размножения, например видоиз­мененные стебли — известные всем усы земляники и клубни кар­тофеля. Многие растения обладают ценной особенностью: они способны к полной регенерации из небольшого отрезка стебля, черенка. Эта особенность широко используется для разведения растений с ценными сортовыми признаками. Только таким спо­собом можно разводить растения, неспособные давать потомство половым путем. Некоторые растения полностью регенерируют из целых листьев (многие суккуленты) или их частей (напри­мер, бегонии).
Полноценное растение может развиться и из каллусной тка­ни, выращенной из меристемы in vitro. Этот метод позволил получить безвирусные сорта картофеля. Вот уже несколько лет метод культуры тканей используется для выведения оздоров­ленных и устойчивых к болезням растений, для создания сортов с определенным генотипом, а также для сохранения и разведе­ния сортов ценных растений.
Сегодня мы знаем, что многие изолированные клетки, если их культивировать в соответствующих условиях, могут регене­рировать в целое растение. Клетка, обладающая такой способ­ностью к росту и формированию ткани, из которой затем раз­вивается полноценное растение, называется тотипотентной. В се­редине 60-х гг. тотипотентность клеток была обнаружена у мно­гих видов растений.
Из тотипотентных клеток легко получить лишенные клеточ­ной стенки протопласты. Разработаны методы их культивиро­вания для получения каллусной ткани и затем — небольших растеньиц, которых можно размножать обычными способами.
Протопласты получены из тканей большинства органов рас­тений, в том числе из корней, листьев, лепестков, плодов, колеоптил, запасающих органов, тетрад микроспор (из пыльников), корневых клубеньков бобовых и каллусных тканей. Чаще всего для этого берут мезофильную ткань листа: из нее образуется много единообразных протопластов. Нередко из протопластов получают каллусные культуры, из которых можно регенериро­вать целое растение. К сожалению, до последнего времени не удавалось вырастить целые растения из изолированных прото­пластов бобовых и злаков — двух важнейших групп культиви­руемых растений. Нередко в относительно простых условиях выращивания и с высоким выходом была осуществлена реге­нерация в целое растение протопластов Medicago saliva (лю­церна, альфальфа). Это позволяет надеяться, что подобрав со­ответствующие условия, удастся регенерировать из протопла­стов и бобовые. Сегодня мы еще не умеем регенерировать растения из протопластов хлебных злаков и пищевых бобовых, но в 1980 г. Вернике и Бреттел (Werniche, Brettell, 1980) доби­лись образования каллуса и регенерации растений из листьев злаков, так что можно ожидать, что и в случае протопластов злаков будет достигнут прогресс.
Особая ценность протопластов для селекции растений опре­деляется целым рядом их свойств. Во-первых, протопласты можно получать в большом количестве и отбирать из них раз­новидности с полезными свойствами. Хотя сами протопласты генетически единообразны, формирующиеся из них каллусы да­ют растения, существенно различающиеся по внешним призна­кам. Во-вторых, отсутствие клеточной стенки облегчает слияние протопластов и образование гибридов. Поскольку при этом сли­ваются соматические, как минимум диплоидные, клетки, селек­ционер растений получает в свои руки мощный инструмент для отбора. В-третьих, в отсутствие клеточной стенки облегчается-захват чужеродной ДНК — фрагментов молекул или же бакте­риальных плазмид, в результате чего формируются растения с совершенно новым набором признаков.
Изменчивость
Хотя растения, полученные в результате размножения вегета­тивным путем (клоны), обычно похожи на родительское расте­ние, из этого вовсе не следует, что все эти клоны генетически одинаковы. Иногда возникают клоны, которые существенно от­личаются от исходной формы. Их называют соматическими ва­риантами или «спортами», и появляются они в результате ге­нетических изменений в клетках меристемы, которые дают на­чало всему новому растению или его части. В ряде случаев такие спорты были размножены и привели к созданию новых сортов. Примером могут быть апельсины «Навель» и персики-нектарины. В основе соматической изменчивости лежит ряд ге­нетических механизмов: изменение числа хромосом в ядре, мутация отдельных генов, модификация внеядерных генов клеточ­ных органелл (хлоропластов и митохондрий). Хотя изменчивость растений картофеля, полученных из протопластов, обычно не­велика, для протоклонов тетраплоидного сорта Russet Burbank она оказалась существенной. Изучение изменчивости у регене­рированных растений картофеля сорта Maris Bard показало, что она возникает при росте каллусов из генетически едино­образных протопластов и не является следствием экспериментов с самими протопластами.
Изменчивость протоклонов, наблюдающаяся в отсутствие мутагенов, весьма важна для растениеводства: благодаря ей селекционер растений получает богатый исходный материал. Так, среди регенерантов картофеля были выявлены растения с потенциально полезными признаками: низкорослые, с изме­ненными клубнями и с разными сроками созревания.