Благодаря способности изолированных из растения тканей и клеток к видоспецифичному синтезу вторичных метаболитов, исследования в этой области приобретают все большую актуальность. Таким образом, с каждым годом увеличивается количество культур, для которых подтверждены и оправданы разработки методов культивирования с целью внедрения их в промышленное производство. К таким культурам относятся, прежде всего, культуры-продуценты веществ с высокой биологической активностью. По данным китайского исследователя M. Kawamura, многие полученные в лабораториях культуры вполне успешно могут использоваться для внедрения в производство, так как их выращивание in vitro экономически эффективно по сравнению с промышленным способом получения биомассы растений, содержащих биологически активные вещества [211]. В этой же работе приводится пример применения суспензионной культуры Phryma leptostachya L., для производства лигнана А, обладающего инсектицидным действием на широкий спектр сельскохозяйственных вредителей и не вызывающего привыкания.
Одной из первых культур-продуцентов БАВ можно по праву считать полученную M. N. Zenk с сотрудниками культуру барвинка розового (Catharanthus roseus) – продуцента двух алкалоидов: серпентина и аймалицина [200, 242, 245]. На этом объекте были установлены основные условия получения культур-продуцентов веществ вторичного обмена. Данные, полученные в лаборатории M. N. Zenk’а, позволили выдвинуть гипотезу, которая была развита и дополнена авторами, работающими с другими видами растений. Были наработаны экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что для получения культур-продуцентов с высоким синтетическим потенциалом важно учитывать следующие особенности:
- отбирать растение, в котором содержание биологически активных веществ максимально по сравнению с другими особями этого вида;
- для инициации культуры тканей использовать органы растений, в которых происходит синтез и накопление данных веществ, что позволит разнообразить и обогатить состав конечных продуктов;
- при культивировании тканей в условиях in vitro необходимо учитывать такие условия как:
- наличие и состав источников углеродного питания;
- наличие в культуральной среде минеральных веществ: источников азота, фосфора, калия, серы, кальция и других макро- и микроэлементов;
- наличие витаминов и аминокислот, способствующих видоспецифичным синтезам БАВ;
- наличие и типы гормональных индукторов, поддерживающих способность клеток к делению и стимулирующих синтез вторичных метаболитов;
- наличие или отсутствие в среде кислорода или избытка углекислого газа;
- наличие освещения и предшественников конечных продуктов;
- рН среды и температуру в культуральных помещениях [4, 8, 9, 20, 21, 23, 27, 37, 49, 59, 66, 83, 85-90, 94, 107, 108, 113, 115, 121, 132, 140, 150, 167, 211, 233-235].
Благодаря сделанным открытиям в настоящее время во многих лабораториях мира ведутся исследования по культивированию соматических тканей в условиях in vitro для получения культур-продуцентов. Это обусловлено перспективой промышленного использования культивируемых клеток растений для получения соединений их специализированного обмена и одновременного уменьшения антропогенного влияния на дикую природу, возможность получения фитомассы, не содержащей полютантов (гербицидов, пестицидов, тяжелых металлов и др.), управления процессом биосинтеза целевых продуктов и т.д.
В настоящее время на стадии изучения способности к накоплению биологически активных веществ in vitro находится большое количество культур, полученных из растений с высокой биологической активностью. В доступной нам литературе было обнаружено несколько примеров культур-продуцентов, которые накапливают различные ценные метаболиты:
- алкалоиды барвинка розового (Vinca rosea L. синоним Catharanthus roseus) которые активно применяются в качестве противоопухолевых антибиотиков, оказывающих цитостатическое действие на опухолевые клетки благодаря способности блокировать митоз на стадии метафазы. Эти алкалоиды входят в состав антибиотика «Розевин» [104, 105]. В данный момент в нескольких лабораториях мира имеются культуры-продуценты этого алкалоида, превосходящие по синтетической активности исходные растения, среди них – штаммы, в которых произошло смещение синтеза в сторону одного из конечных метаболитов – серпентина или аймалицина [107, 115, 200, 242, 245, 246];
- таксол и другие таксаны (противораковые антибиотики, использующиеся при лечении онкологических заболеваний), получают в суспензионной культуре Taxus canadensis и других сходных видов [57, 189, 203, 212, 232];
- индольные алкалоиды (резерпин, ресцинамин, аймалин, аймалицин, аймалинин, раувольфин, серпагин, йохимбин, серпентин и др.), применяющиеся в медицине в качестве гипотензивных, антиаритмических, успокаивающих центральную нервную систему веществ. Данные вещества в комплексе или по отдельности входят в состав таких препаратов, как «Резерпин», «Раунатин», «Аймалин», «Пульсонорма», «Раувазан» [104, 105]. Все перечисленные метаболиты успешно получают из культуры тканей раувольфии [21, 30, 91, 94, 157, 174];
- алкалоиды барбариса (в частности берберин), способные понижать артериальное давление, повышать тонус мускулатуры матки. Кроме того, сумма алкалоидов барбариса проявляет желчегонное действие на организм [104, 105]. Эти и другие алкалоиды, содержащиеся в интактном растении, получают в культуре клеток Berberis parvifolia и других видов [196, 238];
- алкалоиды мака прицветникового (Papaver bracteatum) – сангвинарин, использующийся в медицине в качестве антимикробного и антихолинэстеразного средства. В культуре тканей этот алкалоид синтезируется в количествах, превосходящих содержание в интактных растениях [87, 140];
- алкалоиды мака снотворного (Papaver somniferum) так называемые опиатовые алкалоиды: морфин, наркотин, папаверин, кодеин, тебаин и их производные, относящиеся к группе наркотических веществ, вызывающих привыкание и зависимость, в связи с чем их производство промышленным способом практически невозможно и запрещено во многих странах, в том числе и в Украине. Из данной группы соединений морфин в медицине является наиболее широко применяемым алкалоидом. Хотя химический синтез морфина был осуществлен еще в 1952 году, сегодня основным его источником по-прежнему является природное сырье, что связано со сложностью получения химических аналогов [104-105]. Широкое использование в медицине способствовало получению данных веществ на основе биотехнологических разработок, в частности, биосинтеза в культуре ткани [88, 89];
- кардиотропные гликозиды Digitalis lanata Ehrh. и Digitalis purpurea L., в медицинской практике применяющиеся для комплексной терапии при нарушениях моторики сердца. Известна эффективность данных гликозидов при лечении различных типов сердечной недостаточности: при перегрузках миокарда, гипертонии, поражениях клапанов сердца, атеросклеротическом кардиосклерозе [104, 105]. В связи с широким спектром биологического действия гликозидов М. Кулабаковой и М. Стрнадом в 1991 году были получены штаммы каллусных тканей из различных эксплантов (листья, цветки, тычинки и другие) этих видов растений [84]. Проведенные исследования позволили получить суспензионные культуры клеток обоих видов, способных к продуцированию гликозидов в количествах, превышающих содержание в интактных растениях как по концентрации, так и по разнообразию синтезируемых в культуре гликозидов;
- тритерпеновые сапонины (гликозиды) женьшеня: панаксозиды А и Б, панаквилон, панаксин, которые используются в качестве тонизирующего средства при гипотонии, усталости, неврастении и переутомлении [104, 105]. Данные вещества получают из суспензионных и каллусных культур Panaxginseng, Р. japoninicusvar. repens, P. notoginseng, P. quinquefolius [21, 46, 144, 158, 160, 164, 169, 171, 249].
Кроме того, в культуре тканей и клеток растений считается возможным получение следующих вторичных метаболитов: стероидных алкалоидов Hollarhena antidysenterica (Poxb) Wall., проявляющих антибактериальную активность [53]; β-карболиновых алкалоидов гармалы обыкновенной (Peganum garmala L.), имеющих антибактериальную активность и влияющих на обменные процессы нервной и сердечно-сосудистой систем, а также на активность некоторых ферментов; стероидов в культуре тканей Dioscorea cauccasica [195]. Имеется опыт получения кофеина в клетках Coffea arabica, различных фенолов и их полимеров в культурах чайного растения (Camellia sinensisL.) и культуре петрушки (PetroseleniumhortenseAuct.) [54, 56, 58 213]. Существуют сообщения о синтезе капсицина в культуре клеток Capsicum annuum L., шиконина – в культуре клеток Onosma paniculatum и Lithospermum erithororhizon [115, 226, 241, 247]. В суспензионной и каллусных культурах Chrysanthemum cinerariifolium при промышленном культивировании получают пиретроиды – вещества с сильным инсектецидным действием, не являющиеся токсическими для человека, при этом клетки in vitro накапливают метаболиты в количествах, превосходящих содержание таковых в интактных растениях [209, 211]. В промышленных масштабах из суспензии клеток N. tabacum получают убихиноны [226]. Кроме того, культура клеток и тканей используется для получения следующих веществ вторичного обмена: алкалоидов в культуре тканей Atropa belladonna, фенольных соединений в культуре чайного растения, индольных метаболитов и лигнанов из каллусных культур ипомеи, гиосциамина и скополамина и тропановых алкалоидов в культуре клеток дурмана [59, 107, 115, 167]. Получены алкалоиды в культуре хинного дерева, антрахиноны у Morinda citrifolia, иридоидные гликозиды Galium mollugo, антоцианы в культивируемых клетках Haplopappus gracilis, катехины и проантоцианидины в каллусе и суспензии Crataegus sp., Ginkgo biloba и винограда. Сапогенины, представленные стероидными гликозидами, в культуре Dioscorea deltoidea и Agave wightii, фенольные соединения в культивируемых клетках Acer pseudoplatanus, никотин и алкалоиды в каллусных культурах Nicotiana tabacum [26, 32, 40, 59, 65,107, 188, 248].
Выделены противораковый алкалоид подофиллотоксин в культуре тканей подофила, розмариновая кислота в культуре Coleus blumei, сапонины и их гликозиды в культуре Glycyrrhiza uralensis, антоцианы в культивируемых клетках моркови, фенолы в клетках чая [54, 123, 204, 235]. Наряду с этим получены природный краситель бетацианин в суспензионной культуре Beta vulgaris, антрахиноны в Cassia fistula, Cassia tora, сапогенины в тригонелле, хлорогеновая кислота в табаке [27, 185, 190, 236]. Имеются сообщения о выделении нафтохинонов и антоцианов в культуре Plumbago zeylanica, скополетина, скополина и хлорогеновой кислоты, а также суммы фенолкарбоновых кислот в культуре скополии [107, 190, 251]. В каллусах льна подтверждено образование п-кумаровой и феруловой кислот, а в каллусах сои – суммы фенольных соединений. Кроме того, получены сапогенины в культуре Solanum aviculare, витамин В6 и сумма алкалоидов в дурмане и руте, алкалоид лапаконитин в каллусной ткани борца высокого, сапонины в культуре ткани Atrаgene sibirica L., гиперицин и псевдогипреицин в суспензиях Hipericum perforatum, антрахиноны, используемые для лечения почечнокаменной болезни и заболеваний печени в культуре тканей Rubia cordifolia L. [25, 44, 67, 68, 107, 124 ]. Таким образом, исходя из литературных данных отечественных и зарубежных авторов, можно констатировать тот факт, что культура тканей лекарственных растений в настоящее время является не только подходящей моделью для изучения процессов вторичного метаболизма высших растений, но и перспективным источником веществ с высокой биологической активностью. Однако результаты, представленные нами в обзоре, не позволяют однозначно ответить на вопрос о взаимоотношении накопления вторичных метаболитов и уровня проявления морфогентической реакции дедифференцированными клеточными культурами. При проведении исследований с конкретной культурой нужны новые экспериментальные данные по получению каллусных культур – продуцентов вторичных метаболитов. Необходимо исследовать их морфогентический потенциал, условия культивирования, установить зависимость между процессами накопления вторичных метаболитов и морфогенезом в каллусных культурах.
Автор фото в статье: Ляпустина Е.В.
Ссылки на литературу в тексте соответствуют источнику.
Источник: Сидякин А.И., Индуцированный морфогенез in vitro и накопление тритерпеновых гликозидов в каллусных культурах ломоноса виноградолистного (Clematis vitalba L.): Дис. … канд. биол. наук. Симферополь. 2011. – 217 с.
Материал любезно предоставил Сидякин Андрей Иванович – к.б.н., ас. каф. ботаники и физиологии растений и биотехнологий и м.н.с. Биотехнологического центра НИЧ Таврического национального университета им. В.И. Вернадского, научный консультант ООО КрымБио