2015-09-06
746
Клітини, вилучені з материнських рослин і поміщені in vitro, зберігають здатність відтворювати основні ланцюги біохімічних синтезів вторинних метаболітів.
In vitro створюються умови, які дозволяють виділити окремі нові штами клітин зі стійкою направленістю синтезу речовин вторинного обміну. Важливим є те, що у ряді випадків in vitro клітина набуває здатності синтезувати речовини, які в інтактній материнській рослині не виявлені, наприклад: перицин, перикалін, хінокіол, феригінол, воміленін та інші. У ряді випадків у клітинних культурах цільовий продукт накопичується у значно більших кількостях, ніж у відповідних інтактних рослинах (табл. 5). Цьому сприяють селекція мутантних клонів і оптимізація умов вирощування.
На цій основі створюється можливість розробки методів і технологій для отримання речовин вторинного синтезу, які цінні для медицини, парфюмерії, сільського господарства. Перше повідомлення про синтез каучуку клітинами гваюли зробив у 1940 році Дж. Боннер. Сьогодні нараховують понад 50 груп вторинних метаболітів, які продукуються культурами рослинних клітин. Серед
них: алкалоїди, амінокислоти, антилейкемійні агенти, антипухлинні агенти, білки, вітаміни, гормони, запашні речовини, інгібітори вірусів рослин, барвники, інсектициди, інсулінподібні речовини, ліпіди, пігменти, харчові добавки тощо.
Таблиця 5
Вміст деяких біологічно активних речовин в інтактних рослинах
і в культурі клітин
| Речовина (цільовий продукт) | Рослина | Вміст цільового продукту, % від сухого залишку | |
| Культура клітин | Інтактна рослина | ||
| Аймаліцин | Catharanthus roseus | 1,0 | 0,3 |
| Антрахінони | Morinda citrifolia | 18,0 | 2,2 |
| Віснагін | Ammi visnaga | 0,31 | 0,1 |
| Гінзенгозид | Panex ginseng | 27,0 | 4,5 |
| Глутатіон | Nicotiana tabacum | 1,0 | 0,1 |
| Діосгенін | Dioscorea deltoidea | 2,0 | 2,0 |
| Кофеїн | Coffea arabica | 1,6 | 1,6 |
| Розмаринова кислота | Coleus blumei | 15,0 | 3,0 |
| Серпентин | Catharanthus roseus | 0,8 | 0,5 |
| Убіхінон-10 | Nicotiana tabacum | 0,036 | 0,003 |
| Шиконін | Lithospermum erythrouhizou | 12,0 | 1,5 |
Отримання вторинних метаболітів in vitro має ряд переваг:
- швидкість одержання;
- незалежність від погодних умов;
- непотрібність великих площ для вирощування рослин у відкритому ґрунті;
- звільнення рослинного матеріалу від хвороб та шкідників;
- одержання екологічно чистих продуктів.
Для отримання речовин вторинного синтезу використовують два основних типи культур in vitro. Це культура калюсних тканин і клітинні суспензії. Калюсні культури, які мають повільнішу
швидкість росту, як правило, накопичують вторинні метаболіти у більших кількостях, ніж клітини суспензії, які при вирощуванні у ферментерах накопичують значну кількість біомаси, але вихід вторинних речовин залишається відносно низьким. У зв’язку з цим при промисловому культивуванні перевага надається використанню іммобілізованих (нерухомих) клітин, які накопичують біомасу повільніше, ніж клітини, які ростуть в рідких суспензійних культурах.
Клітини, іммобілізовані в або на інертний субстрат мають ряд переваг над клітинами, що культивуються у вільному стані:
- вони не утворюють агрегатів, не диференціюються і не змінюють синтетичну активність;
- мають підвищену стійкість до механічних пошкоджень;
- у них фаза росту співпадає з фазою утворення метаболітів;
- їх легко можна перенести у свіже середовище або реакційну суміш.
Для іммобілізації можна використовувати гомогенну суспензію, невеликі агрегати клітин або гомогенат рослинної тканини.
Фактори, які впливають на вихід продуктів
В зв’язку з тим що рослинні клітини тотипотентні, то для того щоб змусити будь-яку клітину продукувати речовини властиві вихідній рослині достатньо створити відповідні умови культивування. Але цей підхід доречний для культур, отриманих із високопродуктивних рослин. Дослідження синтезу алкалоїдів у рослинах і культурах барвінку показали, що в цілому культури, отримані із високопродуктивних рослин мали тенденцію до синтезу більшої кількості алкалоїдів, ніж культури із малопродуктивних рослин. Подібні ж результати отримані і для Nicotiana tabacum – високопродуктивні культури отримували із високопродуктивних рослин. Ні разу не спостерігали, щоб калюс низькопродуктивної рослини давав більший вихід нікотину, ніж калюс високопродуктивної рослини. Тобто утворення нікотину детерміновано генотипом батьківської рослини. Ці дані свідчать, що для отримання високопродуктивних культур потрібно відбирати найпродуктивніші рослини. Але це не значить, що необхідно відбирати частину рослини найбільш збагачену цією сполукою, бо висока концентрація речовини у тканині може бути результатом направленого транспорту, а не продуктом синтезу, що тут локалізований. Збільшення синтезу вторинних речовин in vitro можна індукувати фізіологічними стимулами, тобто впливаючи на пускові механізми біосинтезу вторинних метаболітів. Як один із пускових механізмів біосинтезу вторинних речовин розглядають умови культивування.
