Підвищення продуктивності сільськогосподарських рослин

Створення штучних асоціацій клітин вищих рослин

Створення штучних асоціацій – новий, порівняно молодий напрям клітинної інженерії з вивчення нових клітин і клітинних систем шляхом введення мікроорганізмів в клітини або в популяції культивованих клітин рослин. Експериментальні клітинні системи називаються асоціаціями.

Асоціації можуть бути як внутрішньоклітинні (ендосимбіотичного типу), так і міжклітинні (екзосимбіотичного типу).

В першому випадку мікроорганізми вводять в ізольовані протопласти вищих рослин. В другому – спільно культивують клітини і тканини рослин з мікроорганізмами.

При створенні асоціацій передбачається, що клітини і їх популяції повинні набувати нових властивостей, обумовлених присутністю в них мікроорганізмів.

Цілі створення популяцій:

1. Експериментальна перевірка гіпотези теорії симбіотичного походження еукаріотичної клітини, яке, за припущенням, проходило через стадії ендо- і екзосимбіозу. Реконструкція окремих стадій еволюційного процесу симбіогенезу.

2. Моделювання природних симбіотичних відносин рослин і мікроорганізмів, які відіграють величезну роль в процесі фіксації атмосферного азоту (забезпечення зв’язаним азотом природних екосистем, а також агроценозів).

3. Підвищення продуктивності рослинних клітин-продуцентів економічно важливих речовин.

4. Одержання рослин з новими властивостями, за умов, що відносини, які складаються між клітинами партнерів при спільному вирощування, зберігаються в рослинах-регенерантах. В літературі обговорюється можливість покращення таким чином сільськогосподарських рослин, а також одержання рослин зі здатністю до автономної фіксації азоту.

Перші дві цілі мають значення для вирішення теоретичних питань біології, останні дві носять яскраво виражений прикладний характер.

Одна із цілей культивування рослинних клітин – одержання важливих для медицини і ряду галузей промисловості речовин. Для того, щоб виробництво було рентабельним, необхідно культивувати їх на простих за складом поживних середовищах. В той же час, середовища достатньо складні за складом і включають в себе вітаміни, гормони, джерела вуглеводного живлення, так як клітини в культурі являються гетеротрофами або володіють обмеженою здатністю до фотосинтезу. Суміщення в культивованих клітинах здатності до фотосинтезу і біосинтезу специфічних продуктів – малоймовірне. Тому введення в такі культури мікроорганізмів, які синтезують субстрати для росту рослинних клітин або попередники для біосинтезу корисних речовин являється досить привабливим.

В мікробіології досвід змішаного культивування є. Він показує, що системи мікроорганізмів більш ефективні, ніж монокультури. Їх використовують для очистки стічних вод, одержання ферментів, біологічно активних речовин (ауксини, вітаміни, антибіотики). Вважається, що в біотехнології знайдуть застосування змішані популяції, які включають як сполучення кількох штамів мікроорганізмів, так і представників царств рослин і тварин.

Покращення сільськогосподарських рослин передбачає одержання рослин, здатних до фіксації молекулярного азоту.

При внесенні добрив використовується від 30 до 50 % внесеного азоту. Інший шлях постування азоту в грунт – біологічна фіксація молекулярного азоту. Більша частина здійснюється азотфіксуючими симбіонтами, але цей процес характерних лише для деяких видів вищих рослин і мікроорганізмів. Для підвищення частки біологічної фіксації азоту застосовують з підходи:

– інокуляція азотфіксуючими мікроорганізмами (бактеріальні добрива). Недолік – низька виживаємість інтродукуємих чистих культур і витіснення їх природною мікрофлорою;

– створення азотфіксуючих рослин методами генної інженерії. При цьому пропонується вводити гени nif в протопласти вищих рослин. Перешкоди на цьому шляху: процес потребує великої кількості енергії, якої немає в рослинній клітині, немає також систем транспорту, запасів заліза і молібдену, необхідних для синтезу нітрогенази, немає систем захисту нітрогенази від інактивації киснем;

– введення цілих азотфіксуючих організмів в рослини. Такі асоціації повинні враховувати особливості організації природних азот фіксуючих симбіозів: цілісність обох партнерів; інтеграція партнерів в межах організму макросимбіонту; відносна відокремленість макросимбіонту.

За допомогою клітинної інженерії можна здійснити життєдіяльність азотфіксуючих організмів в клітинах і тканинах культурних рослин. При цьому можлива перевірка більшої кількості сполучень партнерів. В процесі культивування можлива також адаптація партнерів одне до одного. Крім того, бактеріальні симбіонти можуть бути інтегровані в тканини рослин зі збереженням їх інтактності, що дозволить захистити нітрогеназу від кисню, який виділяється рослиною в процесі фотосинтезу.

В даний час ці положення можуть бути підтверджені рядом експериментів.