Биотехнологии для создания, изучения и рационального использования ботанических коллекций

В практике создания и поддержания ботанических коллекций в развитых странах применяются различные группы биотехнологий:

сохранение генетических ресурсов путем создания криобанков и банков депонирования растительного материала in vitro',

использование биотехнологических методов для облегчения селекционного процесса и создания новых форм. В том числе генетическая инженерия -использование методов генетической трансформации для создания новых форм растений с заданными признаками;

клональное микроразмножение растений (включая соматический эмбриогенез) для быстрого размножения селекционных достижений и производства высококачественного посадочного материала;

методы молекулярного маркирования для повышения эффективности селекционной работы, генетической паспортизации и сертификации семян и растений ботанических коллекций, оценки фитосанитарного состояния посадочного материала, маточников и питомников;

использование культуры растительных клеток и тканей как суперпродуцентов биологически активных веществ;

биотехнологии промышленного получения природных фитопрепаратов различного назначения.

Биотехнологические коллекции растительных объектов

Растения являются источниками ценных вторичных метаболитов, обладающих широким спектром биологического действия. Они применяются как в медицине, так и во многих отраслях пищевой и парфюмерно-косметической промышленности. В настоящее время в мире активно используется более 300 видов, из которых около 60 - специально выращиваются, а остальные - дикорастущие. В Беларуси сбор дикорастущего сырья ограничен, плантационно выращивается около 50 видов лекарственных растений, зарегистрировано в Государственном реестре сортов и древесно-кустарниковых пород Республики Беларусь около 100. Не следует забывать, что запасы большинства лекарственных растений в природе ограничены, многие из них являются редкими или эндемичными. Следует отметить, что любое растение, используемое в коммерческих целях, становится потенциальным кандидатом на включение в группу видов, находящихся под угрозой исчезновения. Решить проблему дефицита сырья и сохранения в природе лекарственных растений могут разработки технологий плантационного возделывания или тепличное выращивание, а также отдельное направление - клеточные биотехнологии [91]. Таким образом, многие лекарственные растения относятся к редким или исчезающим видам, поэтому биотехнологические коллекции не только представляют большую ценность для экологических целей (сохранения видов), но и имеют большое экономическое значение.

Клетки и ткани «вне организма» можно сохранять как в живой пересадочной коллекции, так и депонировать (хранить) их при низких и сверхнизких температурах (в жидком азоте).

Существуют два принципиально различных подхода к коллекциям растительных объектов. Если важно сохранить уникальные генотипы (ценные сорта или разновидности растений), то нельзя допускать образования популяций клеток in vitro, т. е. возникновения каллусных культур (иначе за счет сомаклоналыюй вариабельности могут потеряться ценные свойства сорта). В этом случае в качестве объектов хранения можно использовать пробирочные растения, органы или ткани растений.

При необходимости сохранения не конкретного генотипа, а генофонда вида возможно в качестве объектов хранения использовать морфогенные или эмбриогенные культуры клеток. В качестве примера можно привести криосохранение в коллекции Института физиологии растений РАН эмбриогенных культур клеток эндемичных видов Dioscorea caucasica Lipsky и D. balcanica Kosanin (диоскорея кавказская - исчезающий вид и диоскорея балканская). После криоконсервации культуры полностью сохранили способность к соматическому эмбриогенезу и из них были получены растения-регенеранты.

В ряде зарубежных стран сформированы и эффективно функционируют коллекции клеток, органов и растений, культивируемых in vitro. Кроме того, организованы криобанки, где в жидком азоте сохраняют образцы растительного материала, принадлежащего к разным систематическим группам. Многие коллекционные образцы, сохраняемые как национальное достояние, относятся к разряду редких и исчезающих растений, охраняемых законом.

В США (штат Орегон, Корваллис) функционирует National Clonal Germplasm Repository USDA [92], где сохраняют 500 тыс. образцов хозяйственно ценных, а также редких и исчезающих растений, принадлежащих к 10 тыс. видам. В основную коллекцию входят: актинидия (Actinidia), фундук (Corylus), ци-дония (Cydonia), земляника (Fragaria), хмель (Humulus), орех серый (Juglans), груша (Pyrus), смородина и крыжовник (Ribes), малина и ежевика (Rubus), голубика, черника, клюква (Vaccinium), а в малую коллекцию: клоны и семена ирги (Amelanchiery), земляничного дерева (Arbutus), жимолость (Lonicera), клоны и семена бузины (Sambucus) и рябины (Sorbus), а также еще ряда ценных пищевых и декоративных растений. В коллекции Корваллиса хранятся in vitro ряд лекарственных растений, например шлемника трех видов: Scutellaria baicalensis Georgi, Scutellaria lateriflora L., Scutellaria racemosa Pers. [93].

Из Европейских коллекций можно отметить коллекцию в Германии, в которой поддерживают более 700 образцов различных линий клеточных культур, принадлежащих к 80 различным семействам растений, причем большинство этих культур синтезируют фармакологически важные вторичные метаболиты [94].

Подобные коллекции существуют во Франции, Италии, Испании, Бельгии, Польше, Румынии, Японии, Индии и в ряде других стран. Число биотехнологических коллекций постоянно увеличивается. Например, в 2008 г. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО) сообщила о существовании в Республике Палау (Каролинские острова) коллекции растительного материала, которая насчитывает ряд сортов таро (Colocasia escu-lenta L.) - 78 образцов; кассавы (Manihot esculenta) - 30 образцов; батата (Ipomea batatas) - 17 образцов; банана (Musa) — 12 образцов [95].

Российская коллекция клеточных культур, учрежденная в 1978 г., в настоящее время включает девять коллекций, в том числе и две специализированные коллекции клеток высших растений и генетически трансформированных корней растений Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН [96]. Сейчас она насчитывает около 100 различных штаммов и линий культур клеток [97].

В 2005 г. Центральный ботанический сад НАН Беларуси получил Свидетельство на коллекцию асептических культур хозяйственно полезных растений. Постоянно пополняясь, эта коллекция сегодня содержит 241 наименование растений: 32 вида и более 200 культиваров из 11 семейств. При этом более 65% таксонов в его составе относится к фиторесурсным видам. Наиболее полно представлены семейства Ericaceae Juss. и Orchidaceae Juss. (Вересковые и Орхидные), некоторые представители которых внесены в списки CITES и Красную книгу Республики Беларусь [98].

В настоящее время разработаны методы криосохранения для более 200 видов растений: неортодоксальных семян и тканей, культивируемых in vitro [99].

Как уже было сказано, часто депонирование образцов в коллекциях осуществляется помещением растительного материала в условия, тормозящие рост, деление и метаболизм его клеток, что позволяет реже менять питательные среды и потому существенно сокращать затраты на содержание коллекций вегетативно размножаемых растений [101, 102].

Этот прием широко используется во всем мире, поскольку позволяет эффективно сохранять практически все клоны и сорта ценных плодовых, ягодных, декоративных и лекарственных культур [102, 103].

Однако культивирование in vitro клеток, тканей и органов растений, с помощью периодических пересадок на свежие питательные среды, даже в режиме депонирования, имеет свои проблемы и недостатки, связанные прежде всего с существованием некоторой вероятности потери образцов из-за реинфицирования, генетических изменений и даже потери морфогенного потенциала и жизнеспособности [104].

Затраты на содержание растущих коллекций растений in vitro многократно возрастают с увеличением продолжительности хранения образцов [105].

Поэтому для снижения затрат на долговременное содержание коллекций ценного растительного материала, в том числе и культивируемого in vitro, и для уменьшения вероятности потерь ценных образцов в настоящее время в странах - членах ФАО, в том числе и в Российской Федерации, широко используют криосохранение [106, 107], что необходимо организовать в Беларуси для редких и исчезающих видов растений, а также ценных лекарственных растений.

Криогенное хранение решает многие проблемы, возникающие при содержании коллекций растительного материала, однако применение этой технологии связано с необходимостью решения ряда новых проблем [108].

В первую очередь это связано с необходимостью использования специального, сложного оборудования и технологий с помощью высококвалифицированного персонала [109].

Криобанк Отдела биологии клетки и биотехнологии Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН был организован более 30 лет назад и был одним из первых в мире. Сначала был разработан метод криосохранения меристем картофеля. К настоящему времени помимо меристем картофеля в этом криобанкс хранятся меристемы около 30 сортов земляники нескольких сортов малины и черной смородины.

Основными проблемами долговременного культивирования и сохранения растительных объектов являются:

  • 1) наличие в некоторых образцах сохраняемого материала после его введения в культуру in vitro условно патогенной (сопутствующей) микрофлоры, в том числе и латентных микроорганизмов [110-112];
  • 2) вероятность возникновения изменений свойств сохраняемого растительного материала в процессе его длительного культивирования in vitro или хранения в жидком азоте: снижение жизнеспособности из-за циклических изменений температуры от -96 °C до -130 °C при передвижении или переноске криосохраняемых образцов [113];

генетические изменения [114-117];

реинфицирование [ПО, 119-122];

биохимические изменения [123, 124].

Рассмотрение экономических аспектов, связанных не только с созданием коллекций растений in vitro для оперативного использования и сохранения их генофонда, но также и с формированием криобанков растений, предназначенных для долговременного сохранения генетического разнообразия культивируемых и дикорастущих растений, показывает безусловные перспективы этих направлений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >