Одной из наиболее значимых особенностей высших растении является способность одной соматической клетки к регенерации целого растения. Регенерация целого растения из одной клетки происходит по типу эмбриогенеза. Эмбриогенез является наиболее ярким свидетельством тотипотентности растительной клетки. Развитие зиготических зародышей происходит в завязях, и поэтому очень трудно проводить изучение эмбриогенеза in vivo. Эмбриогенез из соматических клеток осуществляется при определенных и контролируемых условиях, а морфологические изменения при соматическом эмбриогенезе очень сходны с изменениями при зигоическом эмбриогенезе. Следовательно, механизм эмбриогенеза может быть изучен более легко с использованием модельной системы соматического эмбриогенеза. Такой модельной системой оказалась суспензионная культура клеток моркови. Системы соматического эмбриогенеза могут быть использованы для селекции мутантных клеток, соматической гибридизации методом слияния изолированных протопластов, клонального микроразмножения, создания искусственных семян и улучшения растений. Таким образом, они представляют интерес как инструмент для селекции растений (Ammirato, 1986; Nomura, Komamine, 1986). Примечательно, что соматические эмбриоиды, в отличие от органогенеза побегов, более точно воспроизводят генотип исходного растения. Поэтому, в большинстве случаев растения, полученные при индукции образования побегов, генетически более вариабельны, чем растения из зародышеобразных структур (Муромцев и др., 1990; Бутенко, 1999).
Однако имеется ряд проблем. Суспензионные культуры представляют собой смесь эмбриогенных и неэмбриогенных клеток и групп клеток, которые различаются по размерам и количеству клеток в них. При субкультивировании в суспензии могут накапливаться неэмбриогенные клетки, и в результате они теряют способность образовывать соматические зародыши и растения. Поскольку перед развитием зародышей размеры предзародышевых структур различаются, то получающаяся популяция соматических зародышей развивается асинхронно. Кроме того, может быть нарушен нормальный путь развития зародышей (Ammirato, 1985), что приводит к образованию структурно аберрантных форм.
Принципиально важным моментом в изучении процесса эмбриогенеза in vitro является изучение самых ранних его этапов, когда некоторые клетки в суспензии вдруг приобретают способность развиваться в эмбриоид.
Обычно соматические эмбриоиды развиваются из эмбриогенных групп клеток, когда ауксины удаляются из среды, поскольку они ингибируют эмбриогенез из групп клеток, но в суспензионных культурах моркови группы эмбриогенных клеток формируются из единичных клеток в присутствии ауксина (Nomura, Komamine, 1985а). Поскольку исходные единичные клетки не могут непосредственно дифференцироваться, чтобы сформировать эмбриоиды в среде без ауксина, то имеются по меньшей мере 2 фазы в дифференциации зародышей из единичных клеток. Для прохождения первой фазы требуется наличие эндогенного ауксина, тогда как этот регулятор роста во второй фазе является ингибирующим. Детальные физиологические и биохимические исследования (Nomura, omamine, 1985а, 1986а) показали, что имеются 4 ранние фазы в соматическом эмбриогенезе из единичной клетки. В фазе 0 отдельная клетка формирует эмбриогенную группу клеток в присутствии ауксина. Во время этой фазы группы клеток, сформированные из отдельной клетки, приобретают способность к развитию и формированию эмбриоидов при удалении ауксина из среды. В это же время наблюдается поляризованный синтез ДНК, что свидетельствует о наличии корреляции между активностью синтеза ДНК я выражением тотипотентности в эмбриогенезе (Nomura, Коiamine, 1986a). Следующая фаза (фаза 1) индуцируется при переносе эмбриогенных групп клеток на среду без ауксина Во время фазы 1 происходит медленная пролиферация групп клеток, сходная с пролиферацией недифференцированных групп клеток. В фазе 2 происходит быстрое деление клеток в определенных частях эмбриогенных групп клеток, ведущее к формированию глобулярных эмбриоидов. В этой фазе клетки делятся очень быстро — время удвоения составляет 6,3±1,1 часа, тогда как время удвоения клеток на среде без ауксина составляет 36 часов. Это быстрое деление клеток является характерной особенностью эмбриогенеза. В фазе 3 из глобулярных эмбриоидов через стадии сердца и торпедо образуются проростки (Nomura, Komamine, 1986b).
Поскольку соматический эмбриогенез возникает в многоклеточных системах, то морфологическая, физиологическая и биохимическая поляризация должны рассматриваться как потенциально важные факторы этого процесса. Морфологическую поляризацию в процессе соматического эмбриогенеза впервые наблюдали В. Гальперин и В.А. Дженсен (Halperin, Jensen, 1967). Эту поляризацию было легко распознать под микроскопом на глобулярной стадии. Верхушка глобулярной структуры дает начало побегу, в то время как противоположный полюс, обычно называемый суснензором, дает начало корню. При изучении суспензии клеток с высокой частотой эмбриогенеза, по отдельным клеткам было установлено, что первое деление отдельной клетки было неравным. Одна из двух клеток была с богатой цитоплазмой, вторая — с крупной вакуолью. Последующие деления происходили, в основном, в клетках, обогащенных цитоплазмой. Предполагается, что эмбриогенный потенциал присутствует в пролиферирующей культуре еще до удаления 2,4-Д, но он не реализуется в присутствии ауксина (Gorstetal., 1987).
Источник: Тюкавин Г. Б. Основы биотехнологии моркови: Монография / ВНИИССОК. – М., 2007. – 480 с.
Автор фото (зиготический зародыш Zea mays L.): Ляпустина Е.В.