Наиболее эффективным источником углерода для культур клеток и тканей чаще всего служит сахароза. Легкость взаимопревращений глюкозы, фруктозы и сахарозы обеспечивает вовлечение любого из этих главных для роста изолированных культур компонентов в основные пути деградации — гликолитический и пентозофосфатный, все этапы которых детально исследованы и описаны к настоящему времени (Дэгли, Никольсон, 1973; Myciэнко, 1995; Медведев, 2004). В целом первый путь больше соответствует высоким энергетическим затратам, второй – синтетическим запросам.
Сахароза – дисахарид, наиболее распространенный в растительных тканях. Ряд структурных особенностей сахарозы, обеспечивающих высокий энергетический потенциал молекулы и защищенность ее главных реакционно-способных связей (двойной глюкозид), и является той основой, которая определяет особое положение сахарозы. Сахароза состоит из 2 химически связанных монноз, бета-фруктозы и альфа-глюкозы. Это основной энергетический материал растений, который может использоваться и как источник энергии для прохождения каких-либо энергозависимых процессов, и как строительный материал. Формирование молекул сахарозы в растении – прямое следствие процессов фотосинтеза.
Она представляет собой основной транспортный сахар и перемещается по ситовидным трубкам флоэмы. Под действием фермента этот дисахарид легко гидролизуется с образованием смеси равных количеств глюкозы и фруктозы.
Сахароза синтезируется в цитоплазме растительных клеток; образование ее в хлоропластах еще окончательно не доказано. В растениях есть два фермента, катализирующих образование сахарозы: сахарозофосфатсинтаза и сахарозосинтаза. Однако принято считать, что последний катализирует преимущественно распад сахарозы (Красильникова и др., 2004).
К сожалению, растительные культуры не могут синтезировать in vitro необходимое для их нормального развития количество сахаров, поэтому в культуральные среды добавляют сахарозу в концентрации 18-30 г/л. Это значение рекомендовано для большинства прописей сред. Известно, что изменяя ее уровень, можно существенно влиять на характер морфообразовательного процесса, особенно при взаимодействии с регуляторами роста. Более того, наличие сахарозы (или других производных) в среде для укоренения необходимо, так как в случае ее отсутствия даже при наличии ИМК процесс ризогенеза у большинства культур существенно замедляется или же вообще прекращается. Сахара, получаемые из сахарного тростника (Saccharum officinanim) или сахарной свеклы (Beta vulgaris), фактически являются 100%-й чистой сахарозой и могут применяться для большинства сред в культуре тканей.
Из числа гексоз больше всего данных представлено по использованию глюкозы, фруктозы и галактозы. Рост на средах с глюкозой или фруктозой для большинства культур происходит очень успешно. Однако общая картина использования олигосахаридов для роста культур, изолированных из растений разных видов, оказалась довольно пестрой, хотя некоторые закономерности прослеживаются вполне определенно. Дисахариды, состоящие только из глюкозных субъединиц – мальтоз, целлобиоз, трегалоз, большей частью используются так же успешно, как сахароза и глюкоза. Видимо, это связано с высокой активностью соответствующих гидролаз, скорость расщепления которых выше скорости метаболизации глюкозы. В некоторых случаях повышение концентрации сахарозы способствует образованию вторичных соединений (Запрометов, 1981).
Напротив, дисахариды, включающие помимо глюкозы еще и галактозу (лактоза и мелибиоза), лишь немногими видами используются наравне с сахарозой, а большинство культур не обнаруживает признаков роста с данными субстанциями (Холодова, 1981). Это свидетельствует о больших возможностях углеводного обмена изолированных культур, способного включить даже те соединения (например, лактозу), с которыми в интактном состоянии растения не встречаются (Дэгли, Никольсон, 1973).
Более равномерно распределяются культуры разных видов по способности использовать для роста трисахарид рафинозу, содержащую помимо галактозной единицы еще глюкозную и фруктозную и являющуюся в отличие от лактозы нормальным метаболитом некоторых растений (Курсанов, 1976).
Если в видовом составе культур, контрастных по использованию галактозосодержащих олигосахаридов, не обнаруживается каких-либо закономерностей, то в отношении крахмала прослеживается определенная связь: культуры разных видов довольно равномерно распределяются по способности использовать крахмал, причем достаточно эффективным источником углеродного питания крахмал оказался в основном для злаков.
Другие группы углеводов исследованы слабее. Большая часть изученных культур не способна расти на средах с сахароспиртами (сорбитом или маннитом), пентозами (рибозой, арабинозой или ксилозой), дезоксигексозой (рамнозой). Лишь немногие виды (в том числе и роза) дают небольшой рост на пентозах, однако максимальное накопление биомассы на них в несколько раз ниже, чем на сахарозе.
Многоатомные спирты образуются в растениях путем восстановления моносахаридов, их альдо- и кетогрупп. Наиболее распространены в растениях сорбит, маннит, дульцит (галактит).
D-маннит – сахарный этиловый спирт, образуется в растениях при восстановлении маннозы или фруктозы. Используется как питательное вещество или как вещество, изменяющее осмотическое давление, особенно при стимулировании формирования протопластов и их слияния.
Сорбит широко распространен в растениях; образуется при восстановлении фруктозы или глюкозы. Содержится в основном в плодах. Впервые был выделен из плодов рябины. Иногда добавляется к среде.
Также выявлено, что культуры, изолированные из растений одного и того же вида или выделенные из разных органов одного и того же растения, могут существенно различаться по использованию разных источников углерода (Тараканова и др., 1979). Более того, одноклеточные клоны или даже вторичные одноклеточные клоны могут давать широкий спектр реакций на отдельные сахара. Поэтому клональная гетерогенность, причиной которой является, видимо, мутационная изменчивость, затрудняет оценку видовой специфики основного обмена. Это открывает новые возможности исследования метаболизма углеводов в культуре изолированных тканей растений вследствие получения биохимических мутантов по тем или иным звеньям основного обмена.
Более эффективное использование сахарозы в сравнении с другими моносахаридами может быть следствием более низкого осмотического давления сахарозной среды при одинаковой нагруженности углеродом.
Источник: Биотехнология тропических и субтропических растений in vitro