Водные растения

Водный папоротник азолла ценится как органическое азотное удобрение, поскольку растет в тесном симбиозе с синезеленой водорослью анабена. Необычность симбиоза со­стоит в том, что на корнях азоллы не образуется привыч­ных клубеньков или иных выростов. Цианобактерии зани­мают полость на нижней стороне листочка папоротника, недалеко от его основания. По мере роста листа и размно­жения цианобактерий полость заполняется, а входное от­верстие зарастает. Это позволяет симбиотическому организ­му анабена-азолла накапливать много азота в вегетативной массе. Для повышения урожая риса азоллу переносят на поля, уже залитые водой и засаженные молодыми рас­теньицами риса. Поверхность воды быстро зарастает азол- лой, которая через некоторое время, с наступлением жар­кого периода, отмирает, образуя большую массу органиче­ского удобрения. Распад биомассы папоротника после его отмирания происходит за неделю, а через месяц освободив­шиеся соединения азота становятся доступными растениям. 1$ результате урожайность риса возрастает на 20%. Одно­временно это позволяет снижать количество вносимых ми­неральных удобрений.

Представители семейства Рясковых (Lemnaceae) — свободноживущие водные плавающие цветковые растения, самые мелкие и простые по строению: их величина редко превы­шает 1 см. Вегетативное тело рясковых напоминает лист.

Рясковые (Lemna minor, L. trisulca, Wolfia, Spirodela polyrhiza) служат кормом для животных, для уток и дру­гих водоплавающих птиц, для рыб и ондатры. Их применя­ют и в свежем, и в сухом виде как ценный белковый корм для свиней и домашней птицы. Рясковые содержат много протеина (до 45 % от сухой массы), углеводов (45 %), жи­ров (5 %), остальное — клетчатка и т. д. Они высокопро­дуктивны, неприхотливы в культуре, хорошо очищают во­ду и обогащают ее кислородом. Это делает рясковых цен­ным объектом для морфогенетических, физиологических и биохимических исследований.

8.Высшие растения in vivo и in vitro

Мир растений определяет благополучие человечества. Известно, что 1,9 млрд т (99 %) употребляемого сухого ве­щества человечество получает из растений. Их широко ис­пользуют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, при производстве тканей, бумаги, выработке энергии. Особый интерес представляет получение из расте­ний различных химических соединений, биологически ак­тивных веществ (БАВ), из которых производят лекарствен­ные препараты (фитопрепараты), химикаты для сельского хозяйства и пр.

Существенное повышение урожайности сельскохозяйст­венных культур в XX в. достигнуто за счет химизации, ме­ханизации и мелиорации сельского хозяйства, что привело к загрязнению окружающей среды, истощению энергетиче­ских ресурсов, возрастанию затрат на единицу продукции. Приходится констатировать также, что повышение урожай­ности сельскохозяйственных культур данными методами в большинстве случаев достигло своего предела. Поэтому необходимо вести поиск новых подходов.

Наиболее перспективным в этом смысле является при­менение клеточной инженерии (клеточной и тканевой био­технологии). Клеточная инженерия основана на использова­нии принципиально нового метода — метода изолированной культуры клеток эукариотических организмов (растений, животных). Выращивание изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах (in vitro) в стериль­ных условиях получило название метода культуры изоли­рованных тканей.

Многочисленные факты и специально поставленные экс­перименты показывают, что в процессе индивидуального развития и специализации растительных клеток генетиче­ская информация в них не уменьшается. Все гены, как правило, сохраняются, и при соответствующих благоприят­ных условиях из каждой соматической клетки растения может развиться целый организм. Это явление называется тотипотентностью. В тотипотентности заключается отличие клеток растений от клеток высших животных, для которых способность восстанавливать целый организм невозможна.

Все паренхимные клетки растения, в каких бы тканях они ни находились, содержат полный набор генов, такой же, какой имела зигота. Но в каждой ткани действует только часть генов, связанная с дифференциацией данного типа клеток. Одни гены функционируют во всех клетках организма (например, гены, контролирующие дыхание, проницаемость мембран, синтез АТФ), другие — только в определенных. Каждая специализированная клетка харак­теризуется своим набором активных генов. Чем более спе­циализированы клетки, тем меньше в них активных генов. Разные гены работают не только в различных клетках, но и в разное время, на разных стадиях развития особи. В од­нотипных клетках одной и той же ткани на разных стадиях развития организма непрерывно меняется набор актив­ных генов. Одни гены включаются, синтезируя иРНК опре­деленных белков, другие выключаются из этой работы.

Образование в процессе развития из однородных клеток зародыша разнообразных по морфологическим признакам и функциям типов клеток, тканей и органов называется диф­ференциацией. В основе дифференциации тканей лежат различия в активности генов. Центральная проблема онто­генетики — анализ действия гена при формировании призна­ка и установление промежуточных звеньев в цепи «ген — признак».

В специализированных клетках работает ограниченная группа генов, тогда как большая часть их репрессирована. Но ДНК и гены во всех растительных клетках одинаковы, поэтому их активность должна определяться какими-то другими механизмами, включение которых не связано с дей­ствием генов. Такими механизмами активации генов явля­ются различия в структуре цитоплазмы, тканевая индук­ция и гормоны. Яйцеклетка созревает под контролем генов, определяющих разнокачественность частей цитоплазмы, что приводит к неравноценности продуктов первых деле­ний, а при дальнейшем размножении клеток — к тканевой дифференциации. Затем в процесс, вступает эмбриональная индукция: воздействие одних тканей зародыша на другие. Это воздействие выражается в активации новых генов. Предполагают, что клетки ранее образующейся ткани вы­деляют вещества, способные активировать работу генов, не­обходимых для дифференциации другой ткани, т. е. проис­ходит тканевая индукция.

Гормональная регуляция — наиболее хорошо изучен­ный механизм активации генов. Гормоны могут воздейство­вать на гены непосредственно или вызывать появление в цитоплазме каких-то специфических веществ, воздействую­щих затем на них. Проникая в клетку, гормоны воздейст­вуют на комплекс «гистоны — ДНК» и активируют отдель­ные локусы.

Особую роль в дифференциации тканей играют гомеобоксовые гены, группы которых содержат одинаковые эле­менты — гомеобоксы. Они служат адресом для гормональ­ных веществ-регуляторов, определяя одновременную акти­вацию или репрессию целого семейства генов. У растений гомеобоксовые гены были открыты в 1980-х гг. Показано, что они контролируют порядок возникновения и специали­зации метамеров.

Таким образом, растительная клетка — это весьма сложное образование, которое включает в себя различные микроскопические и субмикроскопические структуры, от­личающиеся высокой динамичностью, способностью зако­номерно изменяться под влиянием условий существования.

Растения являются продуцентами многих БАВ — соеди­нений, способных оказывать влияние на биологические процессы в организме. К таким соединениям принадлежат сердечные гликозиды, сапонины, стерины, каротиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны, а также ве­щества, обладающие специфическим ароматом, вкусом и окраской.

Биологически активные вещества принадлежат к про­дуктам вторичного обмена, которые называют вторичны­ми метаболитами или вторичными продуктами биосинте­за. В настоящее время известно более 100 тыс. вторичных метаболитов, продуцируемых растениями. Многие из них используются в фармакологической, косметической, пище­вой промышленности и считаются экономически важными продуктами.

Лекарственные растения все еще вносят значительный вклад в фармацевтическую промышленность, составляя около 25 % важнейших лекарственных средств.

К лекарственным препаратам примыкают наркотики и стимулирующие вещества. Наркотики являются промежу­точным звеном между ядами и лекарственными препарата­ми. В небольших количествах они часто служат эффектив­ными лекарствами (например, морфий). При высоких кон­центрациях или при постоянном применении наркотики могут стать причиной пагубного влечения (наркомании) или смерти. Наркотики составляют основную группу запре­щенных натуральных продуктов. Наиболее известны мари­хуана (или гашиш) — выделяют из Cannabis, опиум и геро­ин — из Papaver somniferum, кокаин — из Erythroxylon. Табак тоже принадлежит к этой группе, поскольку содер­жит никотин.

Стимуляторы представляет собой вещества, отличные от иаркотиков, и в целом они не вредны. Чаще всего применя­ют в виде напитков кофеин и связанный с ним теобромин. Кофеин найден во многих растениях, из которых наиболее известны Camellia sinensis (чай) и Coffea arabica (кофе).

Яды, вероятно, крайнее лекарственное средство. Нейротоксические яды растений все еще используют охотники в Африке и Южной Америке, например яд кураре. Многие растительные яды обладают сильным нейротоксическим действием, например рицин из клещевины обыкновенной.

Помимо открытия регуляторов роста растений, наиболее выдающимся событием стало открытие пиретринов. Пиретрины, выделяемые из цветков Chrysanthemum cinerariacfolium, являются мощными инсектицидами (уничтожающие насе­комых). С природными пиретринами конкурируют синте­тические, однако при применении последних появляется устойчивость к ним у насекомых, а также возникает куму­лятивная токсичность.

«Тонкие химикаты» — под этим общим названием объ­единены вещества, применяемые в качестве добавок при изготовлении духов, а также вкусовые ароматические ве­щества и красители пищевых продуктов. К «тонким хими­катам» относятся и очень дорогие, выпускаемые в неболь­ших количествах вещества, и дешевые препараты, произ­водимые десятками тысяч тонн. Например, в США 1 кг жасминовой эссенции стоит 6 тыс. долларов и производит­ся она в количестве лишь 20-30 кг в год, а 1 кг масла ка­као (основного компонента шоколада) стоит 4 доллара, и производится оно в объеме 20 тыс. т в год.

«Тонкие химикаты» варьируют от простых соединений типа хинина до сложных смесей типа эфирных масел. По­следние представляют собой типичные монотерпены, часто летучие соединения, составляющие основу производства ароматических соединений для отраслей, создающих цен­ные и дорогостоящие продукты.

Следует отметить все возрастающее внимание к миру растений как источнику химических соединений. Разработ­ка нового синтетического лекарственного препарата обхо­дится примерно в 100 млн долларов и занимает 10 лет, по­этому нетрудно понять возобновляющийся интерес к расте­ниям как «фабрикам» для их синтеза.

9.Животные in vivo и in vitro

В биотехнологии в качестве объектов при проведении фундаментальных научных исследований, а также в прак­тических целях (терапия, фармакология, пищевая про­мышленность) используют животные организмы, а также культуры клеток животных, изолированные ткани и органы.

Культуры клеток животных служат главным образом для научных исследований. Так, культура клеток человека является объектом медико-биологических исследований при изучении клеточных, молекулярных, биохимических аспек­тов патогенеза целого ряда болезней, в том числе и наслед­ственных; ее используют при исследовании возможностей применения и влияния лекарственных препаратов, БАВ, консервантов, косметических препаратов на морфологиче­ские и биохимические изменения в клетках. Для подобных исследований чаще всего применяют культуру фибробластов. Это связано с тем, что в 1978 г. А. Гринберг доказал адекватность результатов, полученных на культуре фибробластов, результатам, полученным на клетках целого орга­низма. Кроме того, фибробласты служат главным клеточ­ным элементом соединительной ткани, которая составляет значительную часть массы тела человека или животного.

Процессы клеточной дифференцировки и регуляции ак­тивности генов изучают в основном на культуре клеток бес­позвоночных, так как они характеризуются большим разно­образием роста и метаморфозов. Эту же культуру применя­ют при выращивании вирусов в живых клетках насекомых для получения энтомопатогенных препаратов. В культурах клеток выращивают вирусы для их идентификации или для получения вакцин.

Клетки животных можно использовать для получения трансгенных особей, клонирования хозяйственно важных пород животных, гибридизации соматических клеток с целью получения химерных организмов.

В последнее время большое внимание уделяется эмбри­ональным стволовым клеткам. Это клетки, выделенные из эмбрионов на стадии бластоцисты, сохраняющие способ­ность делиться в культуре in vitro, обладающие свойством плюрипотентности, т. е. способностью к дифференцировке в любые типы клеток животных.

На органных культурах изучают закономерности развития органов, способы сохранения их жизнеспособности перед трансплантацией. Целые организмы (трансгенные мыши) используют для моделирования ряда болезней человека и выявления механизмов их возникновения и проте­кания.

Практическое применение изолированных клеток, тка­ной, органов, целых животных организмов также весьма разнообразно. Клетки животных и человека служат в каче­стве продуцентов каких-либо веществ, например противовирусного препарата интерферона. Созданы перевиваемые культуры клеток животных, которые продуцируют моно­клональные антитела, применяемые для диагностики забо­леваний. Некоторые клетки животных и человека в куль­туре могут синтезировать биологически активные вещества: клетки гипофиза служат источником соматотропина (гор­мона — регулятора роста), липотропина (гормона — стиму­лятора расщепления жиров). В промышленности широко используют иммобилизованные ферменты, ферментативные комплексы и клетки животных. На клетках и тканях изу­чают влияние низких температур на сохранение жизнеспо­собности клеток, а также разрабатывают методы криокон­сервации для расширения разнообразия клеток и тканей, которые можно сохранять в замороженном состоянии. В ме­дицине культуру клеток кожи применяют для заместитель­ной терапии при ожогах, а культуру клеток эндотелия — для реконструкции стенок сосудов. В практических целях в качестве естественных биореакторов лекарственных пре­паратов или пищевых белков предполагается использовать крупный рогатый скот, овец, свиней; однако в настоящее время введение генов, отвечающих за синтез необходимых соединений, сопровождается у трансгенных животных по­явлением тяжелых заболеваний и других негативных эф­фектов.