Сотворить растение

Какой бы из растительных или животных организмов мы ни взяли, при ближайшем рассмотрении становится ясно, что жизнь его просто невозможна без "сотрудничества" отдельных клеток. Именно оно и поддерживает существование организма как единого целого. А насколько же сильна связь между этими отдельными клетками? Да и так ли уж они зависят друг от друга? Ведь могут же спокойно функционировать и одноклеточные организмы.

И конечно, ученым в течение уже не одного десятилетия хотелось попробовать вырвать из многоклеточного организма отдельную клетку и заставить ее жить самостоятельно. Возникла уверенность, что это открыло бы совершенно новые пути создания растений.

Подобные эксперименты проводились постоянно. Любопытно, что, несмотря на известную всем высокую сложность животных организмов, первые клетки, которые исследователям удалось заставить жить в искусственных условиях, были именно животного происхождения. В 1907 году ученые сумели в течение нескольких недель растить выделенные из организма нервные клетки лягушки. И клетки эти нормально развивались. Однако у ботаников подобные эксперименты заканчивались неудачей.

В чем же дело? Да просто нельзя было чисто механически переносить методы, применяемые в работе с животными клетками, на растительные, так как они в этом смысле куда более "привередливы". Подбор питательной среды для роста животных клеток не составит для нас особого труда. Совсем иное дело растения. У них транспортируемые по сосудам вещества проникают в большинство клеток через соседние ткани. Создать же искусственно "сок", обеспечивающий их питание в пробирке, - дело не из легких.

Но и это еще не все трудности. Отделить одну растительную клетку от другой тоже не просто, поскольку связь между клеточными стенками у растений куда более прочная, чем у животных. Кроме того, клетки растений, уже определившие свою принадлежность к различным его частям, практически теряют способность к делению. Именно по этим причинам ни к чему не приводили все эксперименты по выращиванию единичных растительных клеток. Но ученые не отчаивались, а продолжали искать новые пути.

Им уже было ясно, что проводить эксперименты со специализированными тканями бесполезно. Тогда они решили поставить опыты с клетками, образующими тканевые наплывы в месте повреждения растения. Все их много раз видели в лесу на стволах у деревьев. Выяснилось, что эти ткани, возникающие как защита в ответ на различного рода травмы, удивительно неприхотливы и легко поддаются выращиванию в искусственных условиях. В дальнейшем оказалось, что можно поместить на питательную среду кусочек стебля, корня или листа и через несколько дней на месте среза появится бесформенный тканевый наплыв, клетки которого потом развиваются в колбах или пробирках в виде неорганизованной, быстро растущей массы.

Можно в любое время отделить кусочек такой ткани, перенести на свежую питательную среду, и жизнь растения продлится практически на неопределенно длительное время. Во многих лабораториях мира есть ткани, живущие так уже более 30 лет.

Однако по способу питания эта культура ткани не похожа на целое растение, которое может само себя обеспечивать органическими веществами, образуя их в процессе фотосинтеза. Она скорее напоминает животные организмы, живущие за счет питания, поступающего извне. И, создавая питательную среду, ученые обязательно учитывают не только те компоненты, которые растение получает из почвы, но и те, что синтезируются из углекислого газа и воды в клетках зеленого листа: это углеводы. Ведь клетки способны жить и делиться лишь в том случае, если питательная среда содержит все необходимые минералы, углеводы и различные стимулирующие вещества - витамины и гормоны.

Сегодня накоплен богатый опыт по выращиванию тканей различных растений. Никого из специалистов не удивишь, скажем, искусственно выращенными тканями табака, ели, женьшеня, томата, лимона... Перечислять можно довольно долго.

Завершилась первая, начальная ступень научного поиска. Ученых интересовало многое другое. Ведь культура ткани - это все же целая колония клеток. А вот нельзя ли изолировать одну клетку? В первых опытах было выяснено, что изолированная клетка может расти лишь на среде, содержащей продукты жизнедеятельности других клеток. И заменить все это набором известных физиологически активных веществ - витаминов, аминокислот, фитогормонов - нельзя.

Кроме того, клетки вне организма обнаруживают некоторые особенности, подчас совершенно не свойственные клеткам целого растения. В обычном состоянии каждая клетка отвечает за свою, продиктованную ей растением "работу". Оказавшись же в изоляции, она теряет первичную специализацию и свойства, которыми обладала, и даже может дать начало новым тканям, органам и целому растению.

Выращиваемая в пробирке изолированная клетка после ряда делений способна, например, дать начало отдельным элементам сосудистой системы растения. Если при определенных условиях обычную бесцветную клетку перенести на свет, она зеленеет. Значит, в ней образуется хлорофилл и создается фотосинтетический аппарат. Но и это еще не все. Оказывается, всеми процессами можно управлять, изменяя состав среды, в которой развивается клетка.

Механизм подобных процессов - одна из самых интересных загадок, стоящих сегодня перед физиологами и биохимиками растений. И когда ученым удастся разгадать ее, перед человеком действительно откроются фантастические возможности управления природой растений.

Но из всех проведенных опытов и экспериментов уже сегодня ясно, что любая специализированная клетка содержит весь набор генов, кодирующих ее развитие в любом направлении, иначе она просто была бы не способна легко давать начало той или иной системе органов или превращаться в зародыш растения. Такая клетка, хотя и возникла в результате деления неполовых клеток, функционально подобна оплодотворенной яйцеклетке, или зиготе. Это явление получило название соматического эмбриогенеза в культуре ткани.

Наблюдать его удобно в пробирке с культурой ткани моркови. Постепенно в массе однородных клеток появляется одна, начинающая превращаться в типичную зиготоподобную клетку с обогащенной цитоплазмой и увеличенным ядром. Далее ориентация делений идет по пути развития зародыша в завязи цветка. Но ведь ни цветка, ни растения нет, а зародыш, окруженный каллусными клетками, находится не в почве, а в пробирке. Он проходит все основные типичные стадии своего развития: закладываются будущий корень, необходимая для роста стебля почечка и одновременно первые листья-семядоли.

На этой стадии зародыш спокойно можно выделить из окружающей ткани и поместить в среду без гормонов, так как этот маленький растительный организм способен сам их синтезировать. Он начинает быстро формировать корневую систему, затем типичные для моркови рассеченные листья. Если это миниатюрное растеньице перенести в почву, оно даст начало нормальному, образующему корнеплод и розетку листьев. Позднее, как у истинного двулетника, у него появляется стебель-цветонос, и оно зацветает.

Понятно, что возможность выращивать целое растение из одной неоплодотворенной клетки - это большое научное достижение. Но ученых уже интересовало другое: а нельзя ли получить "голые" клетки, то есть лишенные целлюлозных оболочек и окруженные лишь внешней клеточной мембраной? И такие растительные клетки - протопласты - были получены. Они обладают удивительными свойствами, и в первую очередь - способностью к слиянию.

Причем оказалось, что клетки, относящиеся к разным видам растений, сливаясь, могут создавать соматическим путем гибридные формы. Затем такой гибридный протопласт восстанавливает клеточную стенку, и перед нами - внешне обычная клетка, готовая образовать целый организм, но уже гибридный, который в дальнейшем будет размножаться половым путем.

Короче говоря, у человека появилась возможность творить то, до чего сама природа "не додумалась". Пока, правда, еще не совсем ясно, чем закончатся такие опыты, но можно быть уверенным, что этот метод даст возможность преодолевать несовместимость родительских форм и получать самые фантастические живые организмы.

Во время многочисленных экспериментов с изолированными протопластами было установлено, что они способны вбирать в себя из раствора различные макромолекулы и частицы. Это-то и позволяет ученым вводить генетическую информацию и даже такие структуры, как ядра, хлоропласты, митохондрии, выделяя их из другого организма, в клетку, которая очень часто не разрушает захваченные ею частицы, а включает их в себя, где они и начинают размножаться. Например, если пересадить хлоропласты, взятые из обычного зеленого растения, в протопласты листа с нарушенным синтезом хлорофилла, то через некоторое время в его клетках начинается нормальный процесс фотосинтеза. Эти опыты позволяют лучше изучить, тонкие субклеточные структуры растительной клетки, их взаимоотношения и индивидуальные особенности и познать жизнедеятельность целого организма, глубоко проникая в механизмы его роста и развития. Все это в дальнейшем приведет к разработке наиболее рациональных способов управления жизнедеятельностью и продуктивностью растений.

А теперь представьте себе такую фантастическую картину. Вы приходите на необычное предприятие. Его продукция - не станки, машины или удобрения, а... раувольфия, диоскорея, женьшень... Да, да, не удивляйтесь. На этом предприятии в специальных сосудах культивируются ткани растений, запасы которых в мире ограничены или истощаются.

Конечно, таких растений сотни, но те, что названы, я выбрал не случайно, ведь раувольфия - единственный источник резерпина, диоскорея синтезирует стероидные соединения, необходимые при производстве кортизона и других гормональных препаратов. Ценность женьшеня известна всем. Однако не менее известно, что этот капризный "дикарь" плохо растет - прирост корня составляет в год всего 1 грамм. А вот его клетки, растущие в естественных условиях крайне медленно, в пробирке быстро образуют большую биомассу: за 21 день - до 100 граммов на литр питательной среды, и при этом клетки синтезируют те же панаксозиды, что и целое растение. Думаю, что ткани таких растений, как женьшень и диоскорея, одни из самых перспективных для промышленного выращивания.

Но не далекая ли это фантазия? Реально ли такое производственное предприятие в ближайшее время? Уверен, что все это воплотится в жизнь, и очень скоро.

Не подумайте, что подобный метод искусственного выращивания тканей и клеток сейчас имеет лишь чисто научное значение. Уже сегодня он немало дает сельскому хозяйству. Например, здоровый посадочный материал многих сельскохозяйственных культур нередко готовят этим методом. Кусочек величиной в доли миллиметра, извлеченный из верхушечной почки, превращается в искусственной среде в организм, свободный от вирусов. Потом из него можно вырастить сотни здоровых растений, пригодных для высаживания в почву.

Метод искусственного слияния различных протопластов позволяет создавать принципиально иные культуры, сочетающие свойства разных растений. Конечно, ученые и раньше мечтали о соединении в одном растении свойств дикарей и культурных родителей. Много сил отдал этому направлению советский ученый, академик Н. В. Цицин, скрестивший половым путем пырей и пшеницу... Советский генетик А. Ф. Шулындин скрещивал между собой рожь и пшеницу и получил культуру тритикале. Однако преодолеть природную нескрещиваемость разных видов и родов растений было чрезвычайно трудно.

Новый же метод полностью изменил положение. Использование культуры растительных протопластов позволило по-другому подойти к решению этих задач и сильно продвинуться вперед. Были сделаны попытки добиться слияния протопластов разных сельскохозяйственных культур. Подобные опыты проведены в Канаде О. Тамборгом, в Англии Э. Кокингом. В настоящее время путем слияния соматических клеток образованы растения, сочетающие в себе геномы двух видов табака. Такие гибриды получены в США в 1972 году, в ФРГ в 1974 году, Р. Г. Бутенко в СССР в 1975 году. Американскому ученому Д. Бэйтсу из Канзасского университета и А. Кампосу, Р. Родригесу и Р. Андерсону из Международного исследовательского центра по кукурузе и пшенице в Мексике удалось объединить между собой клетки ржи и пшеницы, пшеницы и ячменя, ячменя и ржи, пшеницы и диких злаковых, кукурузы и ее диких сородичей и даже вырастить из них настоящие растения. Во всех подобных экспериментах путем слияния клеток разных видов пытались увеличить количество производимого белка у искусственно сконструированных растений, а также придать им комплексную устойчивость к заразным болезням.

Конечно, эти первые работы - лишь робкое начало применения генетической инженерии в сельском хозяйстве, однако с полной уверенностью можно считать, что начало это многообещающее.