каллусная ткань. всё о каллусной ткани. Морфогенез в каллусных тканях
 Скачать 24.73 Kb.
|
|
Определение морфогенеза каллусной ткани. Морфогенез в каллусных тканях. Клетки каллусной ткани, готовые отвечать на факторы питательной среды называют компетентными или инициальными. Инициальная клетка под воздействием питательной среды вступает в морфогенез. Морфогенез может проходить 2-мя путями: 1) органогенез; 2) соматический эмбриогенез. органогенез - корневой, стеблевой, флоральный, листовой; соматический эмбриогенез (образование зародышеподобных структур из соматических клеток). В случае органогенеза сначала регенерируют отдельные органы, а затем уже из них - целые растения, исключение -корневой органогенез (рис. 4.11). В отличие от органогенеза при соматическом эмбриогенезе сразу образуется биполярная структура (соматический зародыш), имеющая зачаточный корешок и стеблевую почку, из которой развивается растение. Тотипотентность - это способность любой клетки воспроизвести целое растение. Любая растительная клетка содержит весь набор генов и сохраняет свойственную зиготе программу развития любого органа: лист, лепесток, сердцевинная паренхима и т.п. Однако возможности разных типов клеток различны, свойство тотипотентности не всегда реализуется. В некоторых клетках гены в сильной степени репрессированы. В организме тотипотентность не проявляется, так как организм подавляет потенциал развития отдельной клетки, изоляция способствует проявлению этих потенций. Клеточную основу морфогенеза составляет цитодифференцировка. Регенерация растений начинается с вторичной дедифференцировки. При этом дедифференцированные клетки вновь приобретают структуру и функции специализированных. Большая роль в этом процессе принадлежит фитогормонам. Они вызывают изменение метаболизма клеток. Вторичная дифференцировка каллусных клеток не всегда заканчивается морфогенезоим и регенерацией растений. Иногда это гистодифференцировка. Таким путем клетка каллуса может превращаться во флоэмные и ксилемные элементы, из активной клетки в старую. Для управления морфогенезом используются внешние и внутренние факторы: внутренние - вид растения, генотип, орган, из которого взят эксплант; внешние - состав питательной среды, температура, свет (интенсивность, спектр, длина фотопериода). Сигналом (импульсом) морфогенеза является изменение соотношения цитокининов и ауксинов, т.е. они не только регуляторы роста, но и дифференцировки. Эмбриогенез фактически не зависит от гормонов. Обычно эмбриогенные зоны возникают в каллусной ткани на той же питательной среде, на которой шло каллусообразование. Развитие соматических зародышей в каллус-ной ткани начинается тогда, когда устраняется дедифференцирующий фактор из питательной среды. Развивающийся зародыш не нуждается в экзогенных гормонах. Дополнительные стимулы морфогенеза - азотнокислое серебро, нитрат аммония, некоторые аминокислоты (пролин, тирозин, иногда серин), полиамины (путресцин и спермидин). В ряде случаев стимулируют морфогенез маннит и сорбит. Ионы окиси азота влияют на развитие возникающих в каллусной ткани организованных структур, а их индукцию стимулируют ионы аммония - NH4. Гибберелловая кислота способствует росту зачатков стебля, а абсцизовая - ускоряет дифференциацию органов соматических зародышей. Азотнокислое серебро продлевает регенерационную способность в старых пересадочных культурах. Лишь одна из 400-1 000 клеток регенерирует. Одного стимула недостаточно, необходима еще готовность к нему. Способность воспринимать стимулы морфогенеза определяется как компетентность клетки. Морфогенез начинается с того, что под влиянием условий среды детерминированная клетка обособляется от каллусных клеток, образуя утолщенную стенку. Клетка-инициаль при соматическом эмбриогенезе дает начало зиготе, а при органогенезе - меристематическому очагу. От недетерминированных каллусных клеток инициальная отличается более крупным ядром и меньшими размерами вакуоли. Ядро обычно занимает центральное положение. В инициальных клетках содержатся большие количества крахмала, иногда липидов. Некоторое время инициальная клетка находится в лаг-фазе, что необходимо для переустройства и подготовки к последующим быстрым делениям. Затем эти клетки делятся по типу дробления, образуя сферическую массу мелких изодиаметрических клеток. При органогенезе эту массу называют меристематическим очагом, а при соматическом органогенезе - глобулярным проэмбрио. В дальнейшем в меристематическом очаге дифференцируются зачатки стебля, корня, листа или цветочной почки и, соответственно, происходит стеблевой, корневой, листовой и флоральный органогенез. В глобулярном проэмбрио развивается биполярная структура. Можно выделить несколько последовательных стадий формирования эмбриоидов из каллусной ткани - глобулярную, сердечка, торпедовидную, соматического зародыша. Меристематические очаги или проэмбрио могут возникать на периферии каллусной ткани или быть погруженными в нее. Обычно не наблюдается определенной закономерности в их локализации, исключение составляет стеблевой органогенез в каллусной ткани, полученной из сердцевидной паренхимы табака. Меристематические очаги здесь локализуются только в нижней части каллусной ткани. Некомпетентные клетки делятся, но скорее (чаще) всего становятся гормононезависимыми. Многие в силу генетических особенностей используют гормоны, но не регенерируют, занимая промежуточное положение между «привыкшими» и свежими каллусами. Явление тотипотентности растительных клеток. 3. Основные типы морфогенеза: образование моно- и биполярных структур. 4. Стадии соматического эмбриогенеза. Процесс соматического эмбриогенеза можно разделить на две стадии: 1. Начальная клеточная фаза, которая менее других изучена и наиболее важна – это первичные процессы в проэмбриогенных клетках, связанные с их 75 переходом в детерминированное состояние. Данный этап не характерен для зиготы, развивающейся из зародышевого мешка. 2. Переход к эмбриогенезу или развитию зародыша in vitro. Этот этап включает стадии, аналогичные стадиям при зиготическом эмбриогенезе: стадии глобулы, сердца, торпедо и сформированного проростка. Морфологически такие стадии практически одинаковы in vivo и in vitro. Факторами, индуцирующими соматический эмбриогенез, являются фитогормоны. Наиболее эффективен ауксин 2,4-Д, однако он необходим только для детерминации клеток. Развивающиеся зародыши не нуждаются в гормонах, так как начинают вырабатывать их сами. Длительное пребывание проэмбрио в среде, содержащей ауксин, приводит к пролиферации клеток, составляющих эмбриональный комплекс, и к прекращению дифференциации эмбриоидов, то есть они снова превращаются в каллусные клетки. Эмбриогенный каллус, пересаженный на среду без ауксина или с пониженным его содержанием, образует эмбриоиды. Эмбриоиды, перенесенные на безгормональную среду, дают проростки. 5. Стадии органогенеза. 6. Биохимические, структурные и морфологические маркеры морфогенеза. 7. Понятие о кондиционирующем факторе. 8. Факторы, влияющие на морфогенез каллуснойткани. 9. Биологическая роль ауксинов и гибберелинов. Значение ауксинов и гибберелинов вморфодифференцировке каллусной ткани Лаг-фаза – начальный период в ростовом цикле, в ходе которого клетки не делятся и не увеличиваются в размерах. Однако на протяжении этой фазы происходят важные изменения, направленные на подготовку и вступление их в фазу активного деления: увеличивается поглощение и экскреция веществ, возрастает объем цитоплазмы и число органелл, повышается содержание АТФ, ГТФ, НАДФН2, активизируется дыхание, начинается синтез ДНК. За лаг-фазой следует фаза экспоненциального роста (лог-фаза). Это ограниченный период в ростовом цикле, в ходе которого происходит экспоненциальное (логарифмическое) увеличение количества клеток за счет их интенсивного деления и, как следствие, – увеличение сухого вещества. При этом наблюдаются следующие цитологические и метаболические изменения: исчезает вакуоль, увеличивается объем цитоплазмы, гиалоплазма становится плотной, увеличивается число митохондрий и полирибосом, отмечается максимум синтеза РНК и белка и др. В течение поздней экспоненциальной фазы отмечается замедление клеточного деления, а увеличение биомассы происходит за счет растяжения клеток. 9 В ходе фазы замедления роста число клеток, участвующих в митозах, постепенно уменьшается, нарастает число вакуолизированных клеток. Наступление этой фазы обусловлено истощением питательной среды. Отмечается увеличение морфологической гетерогенности клеток и органелл. Наблюдается синтез ферментов, ключевых для вторичного метаболизма, «белков старения». Стационарная фаза. К этому периоду ростового цикла суспензионная культура достигает максимума сырого или сухого веса. В культуральной среде накапливаются продукты жизнедеятельности клеток, угнетающие рост культуры. В клетках резко уменьшается объем цитоплазмы, вакуоль достигает максимальной величины, резко падает активность дыхания, повышается активность ферментов оксидаз и гидролаз. Фаза деградации, заключающаяся в постепенной гибели клеток, начинается в том случае, если не осуществляется субкультивирование клеточной суспензии на свежую питательную среду. Аналогичные кривые характерны и для целых растений. Например, у однолетних монокарпиков (растения, которые способны цвести и плодоносить один раз в жизни) лаг-фазу можно сравнивать с периодом покоя семени. Логфаза связана с делением и растяжением клеток. На начальных этапах рост идет медленно, все более усиливаясь по мере развития фотосинтетического аппарата (экспоненциальный рост). Происходит формированием тканей и органов, усиление межтканевых и межорганных взаимодействий. Со временем наступает замедление роста, которое объясняется действием внутренних и внешних факторов. Торможение роста в первую очередь связано с формированием цветков и плодов. Стационарная фаза (окончание ростовых процессов) – это генетически предопределенное состояние. В конце жизни растение больше не растет и после плодоношения погибает (деградация). Получение кривых роста для деревьев более трудоемко (трудно точно оценить биомассу, до фазы деградации иногда приходится ждать несколько десятков и даже сотен лет и т. д.), но общий характер кривой роста сохраняется. Для многолетних растений характерны сезонные колебания роста (наиболее известный пример – различная скорость отложения древесины). Каждая почка древесного растения растет в соответствии с S-образной кривой роста. И в этом случае внешние факторы обусловливают чередование интенсивного роста с фазой «стационара», которая стыкуется с лаг-фазой следующего ритма роста. Общая кривая роста оказывается составленной небольшими (разномасштабными) S-образными участками. Таким образом, кривая роста многолетних растений в природных условиях имеет более сложный характер по сравнению с кривой роста в периодической суспензионной культуре. Ауксины (от греч. аuхо — выращиваю, увеличиваю), вырабатываемые в клетках растений вещества, стимулирующие ростовые процессы (рост корней у черенков, растяжение клеток у отрезков стеблей, деление клеток в культуре растительной ткани); группа фитогормонов. В малых концентрациях А. ускоряют рост растений, в больших — действуют угнетающе. По строению А. предположительно являются одноосновными оксикислотами. К А. близка (3 -индолилуксусная кислота, называется гетероауксином и наиболее распространённая в растениях, и некоторые её производные, образующиеся в растениях при окислительном дезаминировании триптофана. А. образуются в молодых, активно растущих частях высших растений: точках роста стеблей, в верхушках корней, в молодых листьях и почках, а также в грибах и др. Высокое содержание А. в растущих органах активирует приток к ним питательных веществ из других частей растения. А. способны передвигаться вниз по стеблю или вверх по корню. Неравномерным распределением А. в осевых органах объясняются ростовые движения у растений, а также различные тропизмы. В растительных тканях А. находятся в свободном или связанном состоянии; биологической активностью обладают только свободные А. В растении А. взаимодействуют как с другими фитогормонами (гиббереллинами и кининами), так и с продуктами обмена веществ. Механизм действия А. разнообразен и до конца не изучен. Предполагают, что А. активируют биосинтез некоторых белков-ферментов, участвующих в образовании структурных компонентов клеточных стенок, или вступают в нестойкие комплексы с рибонуклеиновой кислотой, регулируя т. о. процесс клеточного деления. Таким же действием, как А., обладают и многие синтетические органические вещества (например, Р-индолилмасляная кислота и др.). А. применяют в растениеводстве для ускорения окоренения черенков и т. д. См. также Регуляторы роста растений. Цитокины - это продуцируемые клетками белково-пептидные факторы, осуществляющие короткодистантную регуляцию межклеточных и межсистемных взаимодействий. Основные функции цитокинов заключаются в обеспечении роста клеток, их выживаемости, дифференцировку и апоптоз. Выполнение этих функций связано с тем, что взаимодействия цитокинов с комплементарными рецепторами на поверхности клеток, сигнал с помощью элементов внутриклеточной трансдукции поступает в ядро, в результате этого происходит активация генов. В свою очередь гены продуцируют белки, которые и регулируют процессы в клетках. Цитокины – гормоноподобные молекулы, действие которых на клетку-мишень опосредуется высокоспецифичными высокоаффинными мембранными рецепторами. Эти рецепторы являются трансмембранными гликопротеинами, они включают в себя несколько субъединиц, причем высокоаффинное связывание является следствием взаимодействия с разными субъединицами, каждая из которых сама способна связывать соответствующий цитокин, но с более низкой аффинностью. Во многих случаях клетки-мишени цитокинов имеют более чем один центр связывания, которые отличаются аффинностью по отношению к цитокину. За связывание цитокина отвечает внеклеточная часть трансмембранного гликопротеина. В клеточных мембранах имеются цепи, которые реагируют только с одним цитокином, однако есть и такие, которые могут связываться с различными цитокинами. Также имеются так называемые групповые рецепторы, которые способствуют выделению избытка цитокинов из очага поражения. Синтез рецепторов является более длительным и интенсивным процессом, что приводит к более быстрой элиминации из сосудистого русла и более полной реализации эффекта в очаге поражения. Основная биологическая функция цитокинов - регуляция иммунного ответа на всех этапах его развития, в котором они играют центральную роль. В целом вся эта большая группа эндогенных регуляторов обеспечивает самые разнообразные процессы, такие как: пролиферация и дифференцировка предшественников функционально активных иммунокомпетентных клеток, хемотаксис (направленное движение клеток вдоль градиента концентраций под действием химических реагентов), изменение экспрессии антигенов и различных маркеров, переключение синтеза иммуноглобулинов, индукция цитотоксичности у макрофагов, формирование очага воспаления. Большинство цитокинов являются гормоноподобными молекулами локального действия. Клетки, которые из производят и утилизируют, находятся очень близко. Кроме того, возможны случаи, когда цитокин действует на клетку, которая его продуцировала. Цитокины обладают достаточно коротким периодом полувыведения из кровотока, около 50% цитокинов выводится за 30 минут. Выведение катаболизированных цитокинов происходит при помощи печени и почек. В настоящее время известно около 200 цитокинов. Среди них наиболее изученными являются факторы роста и цитокины иммунной системы (ИС). Цитокины обладают следующими общими свойствами: - синтезируются в процессе реализации механизмов естественного или специфического иммунитета; - обладают активностью при очень низких концентрациях (порядка 10-11 моль/л); - являются медиаторами иммунной и воспалительной реакций и обладают аутокринной, паракринной и эндокринной активностью; - действуют как факторы роста и факторы дифференцировки клеток (при этом вызывают преимущественно медленные клеточные реакции, требующие синтеза новых белков); - образуют регуляторную сеть, в которой отдельные элементы обладают синергическим или антагонистическим дейст-вием; - обладают плейотропной (полифункциональной) активностью. Цитокины классифицируют по биохимическим, биологическим свойствам и по типу рецепторов. Образование стеблей ризогенез Образование корней гомогенез Этих двух гоморизогенез |