Для понимания механизмов морфогенеза необходимо рассмотреть комплекс морфофизиологических процессов, протекающих в каллусной ткани, так как эти процессы лежат в основе того, что из каллуса при определенных условиях выращивания дифференцируется растение. В процессе культивирования отмечено возникновение новых микротрубочек в клетке in vitro, изменение ее размеров, активности рибосом, состояния пластидных пигментов, запасающих веществ. Роль микротрубочек, микрофиламентов и других структур в клеточном взаимодействии пока не выяснена. Эти структурные образования появляются обычно при регенерации и каким-то образом причастны к клеточному делению, взаимодействию между клетками, структуро- и формообразованию. Изменяется также структура и активность аппарата Гольджи, который выполняет важную функцию при клеточном делении.
Появляются многоядерные клетки, отмечается полиплоидизация в результате нарушения митоза. Характерное несинхронное течение митотических циклов является одним из условий морфологической гетерогенности клеток ткани. Важно, что при выращивании in vitro наблюдается генетическая гетерогенность клеток, появление мутантов с отличительными особенностями органогенеза. В основе лежат изменения состояния хромосом в виде транслокаций, делеций, другие нарушения связаны с полиплоидизацией.
Клетка, введенная в культуру, претерпевает последовательные изменения: переход к дедифференцированному состоянию, эмбриональному росту и, благодаря способности каллуса к вторичной дифференциации, формообразованию. Взаимодействие между клетками выступает как решающий фактор их дифференциации и специализации. Процесс дифференциации клеток обусловлен различной степенью репрессии и дерепрессии генетической информации.
В ассоциации клеток каллусной ткани одни клетки занимают определенное положение и осуществляют посредством физико-химических контактов влияние на другие, чем определяется их структурно-функциональное состояние. Межклеточные взаимодействия осуществляются с помощью соответствующих донорно-акцепторных молекул цитоплазматической мембраны. Этими молекулами могут быть низкомолекулярные белки, комплексы углеводов с белками, фитогормоны, ингибиторы, полярные соединения и другие. Но во всех случаях на основе нуклеиново-белкового, белково-углеводного и иного типа узнавания они будут способствовать слипанию или отталкиванию клеток, будут выступать как эффекторы или апорепрессоры. В клетке реципиента с помощью специальных рецепторов эти молекулы будут связываться и изменять в эпигенезе реакцию генетической информации. Таким образом, в основе дифференциации клетки лежат процессы репрограммирования, репрессии, дерепрессии генетической информации. Это приводит к образованию специализированных клеток, которые становятся способными к взаимодействию, ассоциации, образованию геометрических форм, к органо- и морфогенезу.
Важнейшим условием морфогенеза является адгезия клеток, в результате которой образуется ткань и орган. Поверхностные рецепторы, а также различные структуры типа микротрубочек обуславливают узнавание, сближение, слипание клеток в процессе дифференциации, ткане- и формообразования. Вещества, активные в процессах структуро- и формообразования, синтезируются под контролем ядра при поступлении сигналов из цитоплазмы клетки, а также экзогенных импульсов, эффекторов. При этом связующим звеном между генетической информацией, ее реализацией и эффектором выступают аллостерические белки, которые собирают, накапливают внешнюю информацию и преобразуют ее, в результате чего изменяют свою конформацию и вступают во взаимодействие с опероном.
Генетическая обусловленность процессов морфогенеза отражается в изменении синтеза и-РНК, белков, активных ферментов, то есть в комплексе скоординированных во времени и пространстве реакций, обуславливающих дифференциацию активности генов. Появление некоторых белков свидетельствует об их участии в морфогенезе и запуске морфогенетических реакций. Установлен специфический фактор пептидной природы, стимулирующий морфогенез. Изучая генетический контроль каллусообразования и органогенеза, ученые предположили, что интенсивность образования каллуса находится под генетическим контролем.
О генетической обусловленности признака регенерации в условиях in vitro свидетельствуют следующие факты:
1. Отсутствие определенных плеч хромосом (например, в клетках Triticum timopheevii при длительном культивировании теряются плечи хромосом генома At) может приводить к снижению выхода регенерантов.
2. С помощью гибридизации можно повысить интенсивность регенерации в каллусной ткани.
3. Использование разных по составу питательных сред для регенерации способствует разному уровню экспрессии генов, которые определяют этот признак.
4. В основе генетического контроля таких признаков, как частота каллусообразования, частота образования морфогенных каллусов и количество зон регенерации для озимой пшеницы основными являются сверхдоминирование, неполное доминирование и эпистаз; для озимой твердой — эпистаз, неполное доминирование и сверхдоминирование; для яровой твердой — эпистаз.
Одни генетические системы контроля для всех признаков проявляются стабильно (эпистаз), а другие (сверхдоминирование) — значительно изменяются в зависимости от признаков и генотипов. Но следует отметить, что каллусогенез и регенерация растений не являются сопряженными процессами, вероятно, они контролируются различными генетическими механизмами. Общей закономерностью для культивируемых тканей остается возрастание цитогенетической вариабельности в процессе культивирования. С этим коррелирует в большинстве случаев потеря морфогенного потенциала. Способность к морфогенезу зависит и от состояния ядра. Как правило, регенерирующие в культуре тканей растения являются диплоидными, хотя ткани, из которых они произошли, имеют разный уровень плоидности.
Таким образом, для индукции морфогенеза in vitro необходимо вызвать неоднородность в клеточных популяциях и тканях. Любые воздействия, приводящие к увеличению неоднородности в культуре клеток, в пространственном распределении гормонов, будут способствовать дифференциации клеток и формообразованию в каллусе. Доказательством этого могут также служить эксперименты, проведенные с каллусной тканью пшеницы и кукурузы в космических условиях. Эти эксперименты были описаны М. Карабаевым (1994). В условиях космического полета можно выделить 2 принципиальных стадии клеточного ответа на экстремальные условия:
1. Эта стадия, или стадия адаптации, продолжается 10–12 дней и связана с адаптацией культуры к стрессу. Она сопровождается общим уменьшением жизнеспособности клеток и потерей значительного числа клеток. В этих условиях число жизнеспособных, стрессоустойчивых клеток постепенно возрастает.
2. Инициируется деление и меняется распределение клеток в популяции, уменьшается градиент элементов питательной среды, так же как и градиент продуктов жизнедеятельности клеток. Независимо от продолжительности космического поле та, развитие клеток и структур, ответственных за клеточную дифференциацию, эмбриогенез и регенерацию растений подавляется космическими условиями. Основная причина этого может быть связана со специфическим распределением клеток в клеточной популяции и слабостью межклеточных контактов под действием невесомости. Анализ этих данных позволяет заключить, что гравитация имеет большое значение для развития растений, так как условия Земли способствуют более тесному взаимодействию гетерогенных спорадично растущих клеточных структур, а это впоследствии влияет на индукцию клеточной дифференциации.
Суспензионные культуры
Суспензионные культуры — отдельные клетки или группы клеток, выращиваемые во взвешенном состоянии в жидкой среде. Представляют собой относительно гомогенную популяцию клеток, которую легко подвергнуть воздействию химических веществ.
Суспензионные культуры широко используются в качестве модельных систем для изучения путей вторичного метаболизма, индукции ферментов и экспрессии генов, деградации чужеродных соединений, цитологических исследований и др.
