Біотехнології сьогоднішнього дня є предметом пильної уваги і інтересу серед звичайних обивателів. Множинні навколонаукові публікації в ЗМІ лякають людей. Рослинна біотехнологія заснована на понятті, яке зовсім не страшно і абсолютно природно. І це протопласту рослинних клітин. Зрозумівши, що це, ознайомившись з методами біотехнології рослин, всі знахідки і досягнення прогресу не здадуться вам вже такими страхітливими.
Все окрім оболонки
Слово «протопласту» утворено злиттям двох грецьких слів ?????+???????, що в перекладі означає перший і освічений. Для всіх рослинних клітин, деяких L-бактерій і мікоплазм, протопласту - це все вміст клітини, за винятком щільною стінки, утвореної переважно з целюлози. Саме ця стінка надає клітинам рослин міцність і форму, виконуючи роль скелета. Прибравши її, ми отримуємо клітку з усім її вмістом, покриту м'якою мембраною (плазмолеммой) – це протопласту рослинної клітини.
Трохи історії
В біологічну термінологію термін увійшов у 1880 році завдяки великому німецькому ботаніку-мікробіологу Йоганнес Людвігу Еміль Роберта фон Ханштайну (1822-1880). Саме його роботи поклали початок цілої галузі ботаніки - ембріології рослин. З тих пір біоінженерна індустрія зробила крок далеко вперед. Злиття протопластів перший гібрид двох видів тютюну отримав американський біолог Пітер Карлсон у 1972 році. Але тільки в 1985 році вперше були зареєстровані мутантний сорт рису Міцуї байосаса №1 і сорт рису Хацуюми пізній, селекціоновані японськими біологами з використанням протопластів.
Особливості і якості
Специфічні властивості рослинної клітини без оболонки важливі для рослини в процеси мітозу і мейозу. Тільки при відсутність оболонки відбувається поділ клітин та їх диференціація в структурні компоненти тканин. Особливість протоплазматической клітини – її тотипотентность (множинні можливості). Протопласти клітини здатні до регенерації оболонки, а при поділі утворюють каллус (група дедифференцированних клітин), формуючи цілий організм. Крім того, протопласту - це активно обмінюється із середовищем структура (білками, ліпопротеїнами та нуклеїновими кислотами). Ці особливості протопластів і використовують біотехнологи і генні інженери.
Будова протопласта
Рослинну клітину без оболонки, протопласту, зазвичай ділять на протоплазму і клітинну мембрану. Протоплазма включає:
Гиалоплазму (колоїдна система, що складається на 90-95% з води і дисперсної складової – білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот і розчинених неорганічних сполук.). Ядро (внутрішньоклітинна мембранна структура з хромосомами). Органели (мітохондрії, цитоплазматична мережа, комплекс Гольджи, вакуолі, центриоли, рибосоми) і пластиди (хлоропласти, лейкопласти або хромопласти). Всі органели і пластиди вважаються похідними протопласта.
Рух і функції
Протопласту складно влаштований і сильно відрізняється для різних тканин рослини. Крім того, його вміст постійно рухається або обертально, або струйчато, забезпечуючи транспорт речовин в клітині та сприяє обмінним процесам. Вся життя клітини зосереджена в протопласте. З нього починається життя клітин (при поділі), в ньому відбуваються всі життєві процеси і з ним закінчується життя конкретної клітини (зневоднення і загибель).
Ізолювання протопластів
Існує кілька способів виділення протопластів. Це:
Механічний – клітинну стінку розрізають, а протопласту виходить у середу. Сучасні механічні способи досить різноманітні, але всі вони мають недоліки: низька продуктивність, це високотрудоемкий і тривалий процес. Ензиматичний – виведення протопласта відбувається за допомогою ферментів (целюлаза, гемицеллюлаза, пектиназа). У такому разі протопласту не пошкоджується і не зневоднюється. Це швидкий і продуктивний спосіб (з 1 грама тканини виділяють до 10 мільйонів протопластів). Цей процес поділяється на три етапи: ферментативну обробку, власне виділення протопластів і поділ їх з пошкодженими залишками.
А що далі?
Після виділення протопластів клітин, вони проходять культивацію, а потім вони готові до роботи у сфері біотехнологій. Регенерація і розвиток рослини відбувається або шляхом ембріогенезу, або шляхом формування калюсу. Домогтися розвитку організму можна додаванням гормонів (ауксинів і цитокінінів), які індукують морфогенез рослинного організму. І важливими факторами в цих процесах є видова специфічність об'єкта, спосіб виділення протопластів і щільність посіву, склад середовища посіву.
Об'єкт конструювання
Областями застосування ізольованих протопластів в біотехнологіях включають теоретичний і практичний аспекти, а саме:
Дозволяють вивчати структуру і хімію самої клітинної стінки при її руйнуванні і синтезі. З їх допомогою вивчають властивості плазмалеми і характер трансмембранного транспорту. Можливість м'якого виділення органел клітини і їх вивчення. Вивчення диференціації тотипотентних клітин, взаємодій ядра і гиалоплазми. Отримання і вивчення гібридних соматичних клітин. Введення чужорідних органел в структуру клітин. Вивчення механізму трансгенеза (введення чужих генів). Генна інженерія рослин
Сучасна наука працює сьогодні над наступними напрямками біоінженерних технологій в рослинництві:
Отримання рослин, стійких до різних гербіцидів. Розвиток стійкості рослин до комах-шкідників. Підвищення врожаю сільськогосподарських культур. Підвищення стійкості культур до несприятливих умов середовища. Підвищення ефективності засвоєння рослинами мікроелементів. І це далеко не повний перелік завдань, які ставлять перед собою біоінженери країн всього світу.
Кілька дивовижних фактів
Вчені працюють над перенесенням у полуницю або яблука гена африканського рослини Dioscoreophyllum cumminisii, який відповідає за синтез білка в тисячі разів солодше сахарози. Так як за солодкість в даному випадку відповідає білок, а не вуглевод, це воістину знахідка для всіх людей, що страждають діабетом. Блакитні хризантеми і троянди, зелені лілії, фіолетові тюльпани – квіти, які сьогодні вже нікого не дивують. Арктичні яблука, апельсини – поки ще в дивину.
Вже є тополі, які видаляють з розчину до 91 % трихлоретилену, а це головний компонент забруднення підземних вод. Вчені працюють над виведенням рослин, які зможуть поглинати більше вуглецю з повітря і зберігати їх у коренях – це має знизити швидкість розвитку парникового ефекту на планеті. А ось хвороби ми будемо лікувати, їсти банани. Вже є дослідження, які доводять, що при введенні в молоде дерево зміненого збудника хвороб, клітини дерева синтезують білки цього вірусу. Таким чином, відкусивши такий банан можна вважати, що ви ввели собі вакцину від даного захворювання. Золотий рис, на відміну від звичайного, містить вуглевод бета-каротин, як у моркві. Для людей, де в їжі відсутня вітамін А (незамінні амінокислоти), це просто знахідка. Пентагон (США) у 2003 році нагородив біотехнологів, які вивели сорт сосни, яка змінює колір при контакті з отруйними хімічними речовинами біологічного і антропогенного характеру.
Всі досягнення науки приносять людям користь, так і тягнуть за собою довгострокові зміни в екосистемі планети. Саме тому в усіх країнах так багато законодавчих актів та інститутів, контролюючих дану галузь. У Росії базою досліджень і контролем їх результатів є Федеральна установа «Інститут загальної генетики ім.Н.І.Вавілова» РАН в Санкт-Петербурзі. А з 1 липня цього року введена обов'язкова реєстрація всіх генно-модифікованих організмів та продукції відповідно до законом РФ№358 від 03072016. Змінюючи природу, нам необхідно пам'ятати про те, що нею все вже придумано і збалансовано задовго до нас і нашої появи на цій планеті. Обережність в діях - пріоритет і девіз сучасної генної інженерії.
