Чтобы растение правильно росло. Растение что делает
Меняется цвет листьев растений – что делать?
Читатели часто обращаются в редакцию с вопросом: меняется цвет листьев растений — что делать? Мы решили опередить подобные вопросы и опубликовать симптомы нехватки или переизбытка питательных элементов у растений. Сверив изменения листьев с «наглядным пособием», можно самим определить проблемы и начать действовать. Для простоты восприятия симптомы показаны на одинаковых листьях.
Применение удобрений напрямую связано с состоянием растений. Если у них здоровый вид, они плодоносят и не проявляют признаков минерального голодания, то подкормку на время можно отложить. Но если вы заметили, что листья начинают менять окраску, растения резко замедляют свой рост, перестают цвести, значит, необходимо принимать меры — вносить удобрения.
При недостатке азота новые побеги на растении почти не образуются, а размеры листьев уменьшаются. При отсутствии азота в старых листьях разрушается хлорофилл, и как следствие — они принимают бледно-зеленую окраску, затем желтеют и отмирают.
Ухудшается так же формирование и развитие цветков, и налив плодов.
Что делать? Растения подкармливают аммиачной селитрой (20-30 г/м2) или навозной жижей (до 1 кг/м2). Для быстрого эффекта можно сделать некорневую подкормку (опрыскивание) раствором мочевины (30 г на 10 л воды).
Однако увлекаться азотными удобрениями тоже не стоит. Избыточное азотное питание, особенно во второй половине вегетации, задерживает формирование репродуктивных органов растений; они образуют большую зеленую массу. Сильно ухудшается качество урожая: в ягодах, фруктах и овощах снижаются концентрации сахаров, содержание крахмала, накапливаются нитраты. При явном переизбытке азота в почве листья на растениях приобретают темно-зеленую окраску, появляется большое количество молодых побегов, стебли у травянистых культур толще обычного.
Что делать? Остается только «отпаивать» растения, вымывая азот из почвы обильными поливами.
Фосфор необходим в ранние периоды жизни растений и при формировании урожая. Растение способно использовать этот элемент питания повторно — из старых листьев он может перемещаться к зонам роста, молодым побегам и листьям. Поэтому внешние признаки его недостатка будут проявляться в первую очередь на старых листьях. Они начнут приобретать характерный красно-фиолетовый или голубоватый оттенок, иногда темно-зеленую окраску. Цветение и созревание плодов у растений затягивается, рано наступает листопад. Замедляется рост побегов и корней, листья мельчают, снижается зимостойкость. Симптомы фосфорного голодания растений наиболее часто наблюдаются на кислых почвах, в которые мало вносили органики.
Что делать? Нужно опрыскать раствором суперфосфата (50 г на 10 л воды). Суперфосфат — это плохо растворимое удобрение, поэтому гранулы надо замочить на сутки, периодически помешивая. Процедить через 2 слоя марли, и получившимся настоем опрыскать растения. Через 2 недели желательно подкормить растение комплексным минеральным удобрением (1 ст. ложка на 10 л воды, расходуя раствор на 1 м2 посадок).
При дефиците калия на растениях появляются следующие симптомы: края и кончики листьев буреют, они приобретают как бы обожженный вид, на листовой пластинке возникают мелкие ржавые пятна. Клетки растут неравномерно, поэтому появляется гофрированность листьев, они приобретают куполообразную форму. Растение становится низкорослым с короткими междоузлиями, побеги вырастают тонкими. Особенно чувствительны к недостатку калия такие овощные культуры, как картофель, корнеплоды, капуста, кукуруза.
Что делать? Растения подкармливают хлористым калием (10 г/м2) или золой (до 100 г/м2). Для некорневых подкормок разводят 50 г калийной соли в 10 л воды.
Не навреди
Последнюю подкорму азотом проводят в последнюю декаду июля и не позднее первой недели августа. Иначе молодые побеги деревьев и кустарников не успеют вызреть, есть угроза вымерзания зимой.
А картофель и корнеплоды будут плохо храниться. Огурцы и томаты при острой нехватке азота можно подкармливать и позднее.
Что бывает, когда они недоедают
У растений потребность в микроэлементах значительно меньше, чем в минеральных и органических питательных веществах. Однако не стоит их недооценивать — в жизни растений они играют далеко не последнюю роль. При недостатке железа, марганца, магния растения, конечно, не умирают, но здоровые плоды дать им не под силу. Для большей наглядности симптомы приводим на одинаковых листьях.
Микроэлементы растения получают из почвы. Но земли, доставшиеся садоводам, как правило, бедны, поэтому для полноценного роста и развития посадок требуются своевременные подкормки.
Есть важный момент — в отличие от основных элементов питания (азот, фосфор, калий), растения усваивают микроэлементы лишь в том случае, если в почве они находятся в подвижном состоянии. Другими словами — в доступных для растений формах. В противном случае, даже если проведена подкормка, посадки могут страдать от дефицита того или иного микроэлемента.
Подвижность микроэлементов зависит от почвенной среды и, в первую очередь, показателя pH. Например, в кислых почвах (когда pH меньше 5,5) в доступных для растений формах находятся цинк, марганец, железо. А в нейтральных и щелочных они, напротив, малоподвижны и переходят в недоступные для растений соединения.
Часто в результате неправильной агротехники и внесения избыточных доз фосфорных удобрений грядки на садовых участках бывают «зафосфачены». В почве накапливается избыток фосфатов, которые образуют труднорастворимые соединения с цинком и железом. При этом снижается доступность этих микроэлементов для растений.
Симптомы нехватки микроэлементов
Недостаток железа и марганца проявляется на молодых листьях и точках роста. Эти микроэлементы не способны перемещаться из одной части растения в другие, поэтому при их дефиците в почве молодые побеги и листья не получают питание в нужном количестве.
При недостатке железа жилки листа теряют зеленую окраску, побеги покрываются бурыми пятнами или погибают.
При недостатке марганца жилки остаются зелеными, листья становятся пятнистыми, появляются участки отмершей ткани.
При дефиците магния в первую очередь страдает корневая система растений, на листьях жилки остаются зелеными, а другие части светлеют. Возможен ранний листопад, который начинается с нижней части растения. Иногда недостаток магния приводит к появлению рисунка на листьях, похожего на мозаичную болезнь.
Симптомы недостатка цинка проявляются сначала на старых листьях. На них сильно выражена крапчатость, появляются уголки отмершей ткани. Для плодовых деревьев характерным симптомом становится мельчание листьев и укорачивание междоузлий.
Что делать?
Органические удобрения хорошего качества (навоз, перегной, птичий помет, компост) содержат нужное количество микроэлементов. Если в почву своевременно вносят достаточное количество органики, то, как правило, дополнительного внесения микроэлементов не потребуется.
При острой нехватке микроэлементов растениям нужно помочь некорневыми подкормками (опрыскиванием). В продаже можно найти отдельные микроэлементы в виде простых химических солей. Но, как уже говорилось, они доступны растениям лишь на кислых и слабокислых почвах. На нейтральных и щелочных почвах следует применять микроэлементы в хелатной форме.
Для некорневых подкормок лучше использовать растворы (2 г на 10 л воды) сернокислого железа, сернокислого цинка, сернокислого марганца.
Для восполнения магния хорошие результаты дает опрыскивание растений раствором сульфатом магния (10 г на 10 л воды).
Дарья Князева, биолог, автор книг по садоводству
Возможно, Вас заинтересует:
stroyboks.ru
Чтобы растение правильно росло
Автор: Сосед-Домосед
Рубрика: Советы
Добрый день, дорогие домоседы. Чтобы растение правильно росло, нужно предпринять нектороые действия. Растения — это живые организмы. Они ведут свой, обособленный от человека, образ жизни, но, если растение комнатное или садовое, то оно напрямую зависит от человека. Оно хочет пить и быть красивым.
Растению требуется уход. Это соотношение света и тени, влаги и тепла. Чтобы растение правильно росло и размножалось, ему необходимы удобрения, а также хорошая земля, поэтому, прежде чем внести нужные удобрения, необходимо произвести вычистить почву.
Чтобы растение правильно росло
Удобрения — это зеленые защитники растений. Он согревают, увлажняют, питают и даже рыхлят почву для растений. Огородники, просто любители и профессионалы, стараются подкормить растения минеральными и органическими удобрениями.
К таким удобрениям относятся сидераты. Они восполняют в почве все те минералы и микроэлементы, которые потеряло растение при размножении. Теряет растение нередко и от деятельности человека.
Поэтому на полях и в лесах немаловажное значение имеет вывоз любого металла, который своей коррозией и разложением пагубно влияет на растительный мир природы.
Есть во флоре зелени такие растения, которые сами помогают друг другу выжить и быть стройными и заметно-пушистыми, отгоняя и даже поедая посторонних внешних вредителей. Тем самым пижма, полынь и черемуха сохраняют здоровый рост растений в всем многообразии сада.
Ропелленты прогоняют вредителей, очищая тем самым всю почву. Фитонциды способны своим запахом отогнать мух и других насекомых. Киндза отпугивает тлю от розы. Это растение в засушенном виде боятся мыши и мокрицы. Бархатцы защищают дома от насекомых, мошек и мух. А настурции привлекают к себе дождевых червей.
Мир флоры настолько богат и сказочно разнообразен, что при изучении маленького растения, по цепочке человек узнает, как можно не только с помощью химикатов, но и просто других растений, сделать природный мир красочнее и красивее.
Забота о природе — это красота в каждом доме, каждый должен знать — что делать, чтобы растение правильно росло!
Теперь мы знаем, что нужно сделать, чтобы растение правильно росло и радовало хозяев.
Удачи вам! 
Что делает растения живыми?
Для начала задумайтесь, что для вас значит словосочетание «живое существо», какие определения вы ему дадите? Это тот:
1. Кто дышит,2. Кто как-то реагирует на внешние раздражители,3. С кем можно пообщаться,4. Кто двигается.
А как вы считаете, растения – это живые существа? И что именно делает растения живыми? Давайте примерим на них каждое определение, и посмотрим, к какому выводу мы придём.
1. То, что растения дышат, учёными уже давно доказано.
2. Так же как и то, что они реагируют на свет, тепло, холод и другие внешние воздействия.
3. Теперь представьте себе две ситуации. В одной – человек разговаривает со своей собакой (кошкой или любым другим питомцем), гладит её, улыбается ей. А в другой – всё то же самое он проделывает со своими комнатными растениями. На какие размышления это наводит?
4. С первыми тремя определениями всё понятно, а вот как быть с четвёртым? Вы можете с уверенностью сказать, что растения двигаются? Ведь движение – это самое явное свидетельство того, что существо живо.
Ростовые движения
Можно сказать, что растения двигаются в процессе роста. Это на самом деле так, и в науке это называется ростовым движением. Растение поворачивает свои листики к источнику света – это тоже движение.
Но ростовые движения практически невидимы человеческому глазу, то есть, невидимы в реальном времени, сию секунду. Мы замечаем только результат ростового движения, потому что для нас процесс роста растений настолько растянут во времени, что мы его не ощущаем.
Однако у растений есть и более «быстрые» движения, которые можно заметить в течение дня. Например, раскрытие цветков с наступлением дня и их закрытие на ночь. Это явление имеет название – фотонастия.
Есть растения (например, крокусы и тюльпаны), которые открытием и закрытием цветков реагируют на изменение температуры. В этом случае явление носит название – термонастия.
Тургорные движения
Однако не все настии относятся к ростовым движениям. Некоторые из них происходят в результате изменения тургора (внутреннего гидростатического давления в живых клетках).
И эти тургорные движения просто нельзя не заметить, потому что они происходят прямо на наших глазах. Благодаря этому и может казаться, что растение действительно живое. Живое в том смысле, что двигается оно как насекомое или животное.
К примеру, есть такое явление, как сейсмонастия. Оно заключается в том, что листья растений моментально реагируют на прикосновение или толчок.
Венерина мухоловка
Примером может служить венерина мухоловка, когда она резко захлопывает свои створки при попадании на них насекомого.
Мимоза стыдливая
Ещё один пример сейсмонастии – удивительная способность мимозы стыдливой из семейства бобовых складывать свои листочки при малейшем прикосновении к ним. При этом в сложенных листьях временно приостанавливается процесс фотосинтеза. А раздражение распространяется на 10-15 см от очага, и, причём очень быстро – со скоростью 40-50 см/с.
Эти движения объясняются потерей тургора нижней поверхности листьев. Учёные предполагают, что таким образом мимоза защищается от сильных ветров и ливневых дождей, которые могут нанести ей повреждения.
Точно также мимоза стыдливая реагирует на различные тепловые, электрические и химические воздействия. Это было выяснено в ходе эксперимента, во время которого на листья мимозы действовали огнём спички. Действие раздражителя испытали не только те листья, к которым поднесли спичку, но и соседние.
В результате учёные предположили, что мимоза обладает некой системой, похожей на нервную, по которой электрические импульсы передаются от одной ветки к другой. А где нервная система – там и разум. Стало быть, растения не только живые, но ещё и разумные существа.
Десмодиум крутящийся
Но есть ещё более интересное растение с необычной способностью двигаться – это десмодиум крутящийся, также из семейства бобовых. Высокими декоративными качествами он не обладает, но зато умеет «танцевать».
У десмодиума тройчатый лист – один крупный посередине и два мелких по бокам. Так вот эти мелкие листочки постоянно движутся, причём их движения не зависят от каких-либо внешних факторов – ни от дождя, ни от света или прикосновения. Они просто крутятся в разные стороны, поэтому и создаётся впечатление, что он танцует. От этого и пошло название «крутящийся», а ещё его называют «растение-телеграф».
Такое явление, когда листья растений самопроизвольно совершают ритмичные движения, называется автонастия. Но десмодиуму можно приписать ещё и фотонастию, потому что в темноте он опускает, прижимает листики к стволу, а на свету опять поднимает.
 |
 |
Индийский ботаник из Калькутты Д. Ч. Боше попробовал записать «электрокардиограмму» десмодиума. Удивительно, но кривая пульсации мелких листьев оказалась почти такой же, как кривая биения человеческого сердца.
Интересно, что листики прекращают своё движение, когда гидростатическое давление в клетках десмодиума падает. Это может случиться при засухе, когда растение теряет много влаги.
В Индии есть ещё два интересных дерева, обладающих необычайной чувствительностью – билимби (огуречное дерево) и камерунга. Их листья обладают теми же способностями, что мимоза и десмодиум.
Кислица
Все вышеперечисленные растения растут в тропических широтах. Однако наша северная флора тоже может похвастаться чувствительными растениями, например, - обыкновенная кислица.
Если вы резко ударите по её листьям, то увидите, как они постепенно начнут опускаться вниз. Правда, её движения гораздо более медлительны, чем у мимозы стыдливой. Нужно подождать минут пять, чтобы они полностью опустились. И в таком положении листья могут пробыть от 30 до 50 минут, затем они снова занимают исходное положение. Точно также кислица реагирует на темноту и слишком яркий свет.
Как мы видим, растения полностью удовлетворяют всем четырём определениям, которые были даны в начале статьи. Правда, не все правильно поймут любителей разговаривать с растениями… Но всё же, у скептиков теперь не должно остаться сомнений, что растения – это действительно живые существа, а не просто статичные элементы декора.
subscribe.ru
Из чего делают растения
Елена Клещенко«Химия и жизнь» №8, 2011
Всё выполнимо на свете! Словно молоденький ствол, Раз под рукою поэта Посох цветами зацвел...Новелла Матвеева
Садовод покупает черенок яблони; любитель узамбарских фиалок бережно несет домой мохнатый листок, подаренный единомышленником; в метре от тополя с обломанной вершиной из земли лезет целая роща молодых побегов — всё это примеры вегетативного размножения у растений. А вегетативное размножение — это, согласно словарю, образование новой особи из многоклеточной части тела родительской особи. Многоклеточная часть может быть как специально предназначенной для размножения (клубень, луковица), так и неспециализированной (побег, почка, участок стебля или корня). Но в любом случае это будет бесполое размножение, при котором растение-потомок генетически идентично материнскому.
У многоклеточных животных вегетативное размножение — скорее редкость, а в царстве растений оно широко распространено. Широко, однако не повсеместно. Кто из нас не огорчался в детстве, когда узнавал, что сорванные полевые цветы не могут пустить корни и обязательно завянут! Некоторые растения ни в какую не желают размножаться вегетативно, другие «согласны» только на определенные способы (скажем, луковица, но не лист). Почему так и от чего это зависит — важный вопрос как для теоретической биологии, так и для практических нужд.
Зададим чисто теоретический вопрос: а каков минимальный размер этой самой многоклеточной части, способной дать жизнь новому растению? (Для практических целей, понятно — чем меньше, тем лучше бы.) Чисто теоретический ответ: в пределе должно хватить и одной клетки. В ней имеется вся необходимая генетическая информация, да и при половом размножении зародыш развивается из одной клетки, которая образована слиянием яйцеклетки и спермия, проникшего в завязь из пыльцевой трубки... На самом деле в так называемом двойном оплодотворении у цветковых растений участвуют минимум пять клеток (яйцеклетка плюс один спермий дают зародыш, две полярные материнских клетки плюс еще один спермий — эндосперм, источник питательных веществ для зародыша в семени, подробности смотри в школьном учебнике ботаники). Как мы увидим далее, это важно. Но в принципе всё верно: каждое живое существо, а значит, и каждое растение, от фиалки до секвойи, начиналось с единственной клетки. И даже десяток клеток с точки зрения быстрого и дешевого размножения выгоднее, чем целый клубень.
Лабораторные эксперименты подтвердили: целое растение можно вырастить из крохотного кусочка ткани in vitro — в пробирке, колбе или чашке Петри, в стерильных условиях. Эксплантом, то есть родоначальником культуры, может быть и почка, и побег, и фрагмент стебля или корня.
Идеи о возможности культивировать растительные клетки впервые возникли еще на рубеже XIX и XX веков, но, чтобы воплотить их в жизнь, потребовалось много экспериментов. Способность культур растительных тканей к неограниченному росту в 30-е годы показал французский исследователь Роже Готре и независимо от него — американец Филипп Уайт. (Пишут, что культура каллусной ткани моркови, полученная Готре, сохранила жизнеспособность до наших дней.) К перспективной теме обратилось множество ученых по всему миру, и в следующие два десятилетия были достигнуты значительные успехи. Американский ученый Фредерик Стюард, работая с тканью моркови, получил из нее в 1958 году целые растения. В монографии Готре «Культура растительных тканей», вышедшей годом позже, упоминаются уже 142 вида высших растений, выращиваемых in vitro (эта монография впервые была издана на русском языке в 1949 году). Сегодня, если вы наберете в окошке поисковика «тканевая культура», а лучше «tissue culture», то найдете подробные инструкции для учителей биологии, желающих повторить в классе опыты Готре и Стюарда, и сайты любителей редких растений, испытывающих на своих любимцах современные биотехнологии. Теперь это возможно, но тогда всё было впервые.
В нашей стране технологии культивирования клеток высших растений также появились в конце 50-х. Здесь в первую очередь следует упомянуть Раису Георгиевну Бутенко (1920–2004), члена-корреспондента АН СССР с 1974 года, в 1984-м получившую вместе с коллегами Государственную премию за «разработку фундаментальных основ клеточной (генетической) инженерии растений». В конце 50-х годов под ее руководством была создана лаборатория изолированных тканей и органов растений Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева. Сейчас это отдел биологии клетки и биотехнологии ИФР РАН — именно там были выполнены многие из тех пионерских работ, о которых мы будем говорить дальше.
Идея культуры растительных клеток кажется простой: возьмите кусочек растительной ткани, по возможности свободной от посторонних микроорганизмов, и поместите эксплант на специальную среду. Наибольшее распространение получила среда Мурасиге — Скуга (она названа в честь Тосио Мурасиге и Фольке Скуга, работавших в Висконсинском университете в Мэдисоне) и ее модификации. Среда содержит агар-агар (по консистенции она похожа на твердый холодец), сахарозу и минеральные вещества. В нее также добавляют антибиотики, чтобы подавить размножение бактерий, и, главное, растительные гормоны, или фитогормоны, — вещества, регулирующие рост и направление развития клеток.
Первое, что происходит с клетками в культуре, — дедифференциация. Они утрачивают характерные признаки клеток листа или корня и становятся «просто клетками», способными дать начало каждой из тканей растения. Фактически этому способствует само отделение кусочка ткани, освобождающее клетки от диктата организма. Известно, что судьбу клетки в значительной мере определяют ее окружение, характер контактов с другими клетками, хотя механизм этого влияния изучен не до конца.
Многие растительные гормоны хорошо знакомы современным цветоводам и огородникам, и для них не будет неожиданностью, что клетки в культуре заставляет делиться определенная комбинация ауксинов и цитокининов. Сравнительно высокие концентрации ауксинов стимулируют рост, причем особенно активно влияют на корнеобразование. Гиббереллины также стимулируют рост, ускоряют развитие листвы, созревание семян. Абсцизовая кислота, напротив, — гормон покоя: она останавливает созревание плодов, тормозит прорастание, уменьшает испарение влаги листьями, замедляет синтез ферментов, участвующих в фотосинтезе, а название ее происходит от abscission — «опадение листьев». Созреванием плодов и листопадом управляет также этилен. На самом деле об эффектах растительных гормонов, об их взаимодействиях между собой можно сказать еще многое, но главное понятно: это инструменты, с помощью которых биотехнолог может работать с культурой клеток, как скульптор с глиной и металлом. То есть получать всё, что ему угодно, в пределах возможностей материала.
Из делящихся клеток в культуре образуется каллусная ткань (до эры клеточных биотехнологий каллусом называли аморфные шрамы и наплывы, закрывающие раны растений). Через определенный срок часть каллуса пересаживают на новую среду. Иногда бывает удобно вместо твердой среды использовать жидкую и растить культуру в колбе на качалке — тогда клетки и их небольшие скопления образуют в растворе суспензию. В некоторых случаях клетки обрабатывают специальными ферментами, разрушающими твердую клеточную стенку, — такие «голые» клетки называют протопластами (для чего это бывает нужно, расскажем позже).
Интересно, что не все клетки в культуре одинаковы, несмотря на генетическую идентичность исходного материала и, казалось бы, идентичные для всех условия. В культуре действуют свои факторы отбора. Вот лишь один пример, который приводит в популярной статье заведующий отделом биологии клетки и биотехнологии ИФР доктор биологических наук, профессор А. М. Носов: «Культура клеток может существовать только в цепи последовательных пересадок. В подобных условиях вероятность «попадания» в следующий цикл роста выше у потомства интенсивно делящихся клеток. Другими словами, в условиях пересадочной культуры изолированных клеток происходит их отбор по признаку интенсивной пролиферации, то есть деления. Достаточно большое число пересевов приведет к тому, что в культуре будут преобладать клетки, темп деления которых будет повышен по сравнению с исходным» («Биология в школе» 2004, № 5).
Клетки в пересеваемой культуре различаются по множеству признаков: форме и размеру клетки, способности к синтезу и накоплению различных веществ и даже генетически — например, по числу наборов хромосом. (Это установили Р. Г. Бутенко и З. Б. Шамина в Институте физиологии растений.) С одной стороны, это замечательно: есть гетерогенность — значит, есть рычаги воздействий на клетки и материал для отбора. С другой стороны, необходимо иметь в виду, что растение, выращенное из культуры, может и не быть в точности таким же, как исходное.
Выращивать новые растения из культуры клеток (такие растения называют регенерантами) можно различными способами. Если из каллуса развиваются органы растения — корни или побеги, а из побега, в свою очередь, вырастает целостное растение, то говорят об органогенезе. Одна из возможных схем — микропобеги укореняют в растворе или среде с ауксином, а когда корневая система становится достаточно развитой, маленькое растение извлекают пинцетом или специальным крючком и высаживают в простерилизованный грунт. Этот сценарий напоминает вегетативное размножение в природе. Но есть и другой путь: соматический эмбриогенез. При этом из клеток культуры в определенных условиях формируются зародыши растений — эмбриоиды, почти такие же, как в семенах, и уже из них получают растения-регенеранты.
А теперь от теоретических вопросов перейдем к практике. Для чего нужны методы клеточной инженерии, позволяющие выращивать и размножать растения «в пробирке»?
Технологии природных лекарств
Цена на дикорастущий женьшень в Китае громадная и, по рассказам манз, простирается до двух тысяч рублей серебром на наши деньги за один фунт корня. Возделываемый же на плантациях женьшень стоит несравненно дешевле и продается только по 40–50 руб. серебром за фунт.Н. М. Пржевальский. Путешествие в Уссурийском крае. 1868–1869.
Первая и, может быть, самая важная задача — получение растений или растительных тканей, из которых можно добывать полезные вещества. Их называют веществами вторичного метаболизма, в отличие от первичных метаболитов, которые необходимы самому растению в его «домашнем хозяйстве» и встречаются в клетках всех растений. (Термин «вторичные метаболиты» ввел в 1891 году известный немецкий биохимик и физиолог Альбрехт Коссель.) В основном это вещества, ответственные за контакты с внешним миром, — например, эфирное масло или горечь, отпугивающие травоядных животных, либо компоненты аромата цветка. Они нужны растению, но без них оно прожить может, а вот без глюкозы — никак. Биохимические пути синтеза вторичных метаболитов — как бы надстройка над системой жизненно необходимых реакций. Но именно среди них встречаются уникальные лекарственные соединения.
В XIX веке европейцы знали о корне женьшеня в основном из книг знаменитых путешественников. Теперь препараты женьшеня продаются в каждой аптеке, его экстракты добавляют в косметику и тонизирующие напитки, и всё это стоит совсем не дорого. На вопрос, каким образом целебный таежный корень попал из легенды на прилавки, покупатель в аптеке, подумав, отвечает: «Ну, его же окультурили, не собирают в тайге, а выращивают». Правильно, только растет женьшень восемь лет, и всё это время посадки должна обслуживать целая армия людей. Гораздо практичнее выращивать в реакторах биомассу, производящую целебные вещества. В культуре можно получить до двух граммов сухой биомассы с одного литра среды за сутки (масса одного корня женьшеня на плантации увеличивается на 1–2 г в год).
Пионерские работы по введению женьшеня в культуру в Институте физиологии растений Р. Г. Бутенко с сотрудниками начали еще в 1957 году. Они не только получили культуру клеток и тканей женьшеня, но и начали искать штаммы — суперпродуценты активных веществ. Приоритет промышленного получения биомассы культуры клеток женьшеня также принадлежит России. (Кстати, и вообще производство растительной биомассы в промышленных масштабах впервые было налажено в нашей стране.) Сегодня большие успехи в этой области достигнуты в отделе биологии клетки и биотехнологии ИФР под руководством А. М. Носова.
Для промышленной биотехнологии мало нарастить каллусную ткань или суспензию, нужно еще настроить ее метаболизм на производство нужных веществ. В этом биотехнологам помогает целые корпус наук. Фитохимия изучает строение вторичных метаболитов и их локализацию в растениях — каждому травнику известно, что у одного растения полезен корень, у другого цветы, и ни в коем случае не наоборот. Биохимия растений исследует пути синтеза лекарственных веществ, физиология — их роль в жизнедеятельности растения. Всё это необходимо знать, чтобы грамотно работать с культурами клеток.
Перечислять лекарственные растения, выращиваемые в биореакторах, можно долго, и список их всё время растет. Культуры женьшеня настоящего, американского и японского производят тритерпеновые гликозиды гинзенозиды (панаксозиды). Из тиса ягодного получают таксол, или паклитаксел, для лечения рака (см. статью «Лекарства из растений» в этом же номере). Тис в Европе, как пишут ботанические энциклопедии, распространен спорадически, в России не особенно популярен, и растет он исключительно медленно — а между тем только во время испытаний нового противоракового препарата было уничтожено 12 тысяч деревьев. Мы писали о стевии, из которой получают перспективный подсластитель стевиозид (см. «Химию и жизнь», 2005, № 4). Стевия растет только в Южной и Центральной Америке, а в наших широтах ее культивировать затруднительно: она не переносит температуры ниже +12°C. В таких случаях биореакторы — вообще единственный выход. Диоскорея дельтовидная в культуре производит фуростаноловые гликозиды и диосгенин, из которого, в частности, получают гормональные препараты, раувольфия змеиная — алкалоид аймалин, применяемый как антиаритмическое средство...
Чаще всего для последующей экстракции в пробирках выращивают не растения, а каллусную ткань. В качестве экспланта берут ткань, богатую нужным веществом и способную к каллусогенезу. Например, у тиса это хвоя, у можжевельника сибирского, который не так давно ввели в культуру в Красноярске (кандидат технических наук Е. Н. Аёшина, Сибирский государственный технологический университет), — почки, побеги. Затем самое важное — подбор условий для оптимального биосинтеза и поиск штаммов-суперпродуцентов. А уже после этого приходит время переместиться из лабораторного сосуда в промышленный биореактор.
Букет клонов
Он протянул мне пластиковый контейнер, разделенный на две части. Нижняя часть была заполнена какой-то жидкостью, в которую спускался стебель. В другой половине была большая, только что распустившаяся роза. В ту ужасную ночь она показалась мне бокалом кларета.Роджер Желязны. Роза для Экклезиаста
Замечали, как много стало на городских улицах киосков с надписью «Цветы»? Пессимисты даже волнуются: каждый день привозят целые снопы безупречных роз и хризантем, и к вечеру они не до конца раскупаются — это ж какой убыток, раньше такого не бывало, да вправду ли это цветочная торговля или, может, прикрытие для криминальных структур? Насчет криминальных структур не знаем, но раньше такого действительно не было. Одна из тех незаметных перемен, которые принесли в нашу жизнь биотехнологии: розы для каждого в любое время суток.
Здесь уже речь идет не о получении каллуса, а о клональном микроразмножении. Клональное — потому что все растения, выращенные таким путем, будут генетическими копиями «прародителя», от которого взят эксплант. (Да-да, если вы купили для своей девушки пять роз, то, возможно, это пять клонов одной и той же розы.) Микроразмножение — потому что из одного листа можно получить десятки растений.
Конечно, не всегда это бывает лист. Можно побудить к развитию уже существующую меристему, то есть растущую ткань — верхушку стебля, пазушные и спящие почки. Можно добиться того, чтобы почки появлялись уже в ткани экспланта, или же индуцировать соматический эмбриогенез — чтобы ткань порождала зародыши растения. Еще один метод — дифференциация почек из каллуса.
Эта технология произвела революцию в цветоводстве и садоводстве. Вегетативное размножение всегда имело огромную коммерческую значимость, а для некоторых видов цветов и плодовых деревьев оно практически не имело альтернативы. Никто не выращивает яблоню из косточки или тюльпаны из семян, все здравомыслящие люди приобретают саженцы и луковицы. К тому же семена — это результат полового размножения, а при половом процессе, как известно со времен Менделя, смешиваются признаки отцовского и материнского организмов. Для отбора и выживания наиболее приспособленных это полезно, поскольку повышает разнообразие, порождая новые комбинации признаков. Но садоводы обычно предпочитают стабильность — что изображено на фотографии в каталоге, то и должно вырасти, и никакой генетической лотереи. Стабильность признаков при размножении семенами обеспечивается поддержанием чистых линий (которые получают, например, путем самоопыления), но вегетативное размножение зачастую бывает технически проще.
Однако не у всех видов оно возможно. Сосны не черенкуются вообще, у разных видов орешника укореняется лишь 15–20% черенков. Договориться с такими упрямыми растениями можно в лаборатории. Теоретически в любом растении есть клетки, которые могут проявить тотипотентность, если суметь подобрать к ним ключик.
Принципиальную возможность клонального микроразмножения впервые показал на орхидеях французский ученый Жорж Морель (1960). Из одного протокорма — шарообразной структуры, которая образуется после прорастания семени орхидеи, — за год он получил миллионы растений. В то же время велись работы по клональному микроразмножению картофеля, и выяснилась еще одна перспективная возможность: растение можно избавить от вируса, взяв в качестве экспланта незараженный фрагмент. Инфекции — бич культурных растений, и избавиться от них обычными способами бывает очень сложно. Проделать ряд не таких уж сложных лабораторных манипуляций и на выходе получить незараженный сортовой экземпляр — такая игра стоит свеч. Ранее считалось, что от вирусов свободен конус роста, так как вирусы распространяются по проводящим тканям, а они в меристеме еще не развиты. Потом стало известно, что вирусы перемещаются и по межклетникам, а это значит, что заражен может быть и конус роста. Но проверить, инфицирован ли эксплант, сегодня можно с помощью таких лабораторных методов, как иммуноферментный анализ или ПЦР.
Итак, клональное микроразмножение — это возможность получать генетически однородный и свободный от инфекций посадочный материал, причем быстро, в огромном количестве при небольших затратах, независимо от сезона, и метод подходит даже для тех растений, которые плохо размножаются обычными способами. Нетрудно представить и то, какие возможности клональное микроразмножение дает для исследований, для селекции и гибридизации. Было бы странно, если бы фирмы, торгующие цветами, декоративными и плодовыми культурами, не ухватились бы за эти технологии. «На одном квадратном метре можно разместить десять штативов, в каждом штативе 75 пробирок, и в каждой пробирке может быть от одного до трех растений, — рассказывает доктор биологических наук, Елена Анатольевна Калашникова, профессор кафедры генетики и биотехнологии Российского государственного аграрного университета — Тимирязевской сельскохозяйственной академии. — В итоге примерно полторы тысячи растений мы можем спокойно получать на квадратном метре». Этот первый этап экономит очень много труда и места.
В производстве цветов сейчас лидируют Нидерланды, Эквадор, Польша. (Можно поспорить о том, хорошо это или плохо, что в крупные российские города цветы доставляют международными авиарейсами, но что имеем, то имеем.) «Голландия маленькая, примерно как Московская область, но зайдите в любой цветочный магазин, и вы увидите культуры голландского происхождения, — говорит Е. А. Калашникова. — Голландия практически отказалась от традиционных технологий и получает посадочный материал in vitro. Оборот цветов в ней колоссальный, голландские цветы поступают не только в Россию, во все страны земного шара. Статистики подсчитали, что эта маленькая страна может обеспечить экземплярами любого растения из тех, что там продаются, каждого жителя Земли, от грудных младенцев до стариков».
Всё сказанное касается, конечно, не только цветов, но и кустарников, и деревьев. Сосны, которые размножаться черенками категорически не хотят, удалось размножить в культуре (хотя это один из самых сложных объектов). Лидеры в этой области — скандинавские страны и Канада: размножение сосен для них уже не проблема. Размножением хвойных in vitro занимаются и в Тимирязевской сельскохозяйственной академии. Деревья хвойных пород, как рассказывает Е. А. Калашникова, таким способом можно получить за 10–12 лет вместо 60. Кстати, в красноярском Институте леса СО РАН успешно работают над сохранением уникальных сибирских видов хвойных с помощью биотехнологий.
А почему же эти розы, которые продают в киосках, совсем не пахнут? — возмущаются горожане. Запах где? Запах в тканевой культуре шиповника морщинистого (он же роза ругоза), из которой получают эфирные масла. Искусственный отбор, как и естественный, не всегда может преследовать две цели сразу. Или впечатляющий внешний вид, крупный размер и быстрый рост — или благоухание. Хотя гвоздики из тех же киосков пахнут неплохо...
Создание нового, сохранение старого
...Или в пробирке, как в саду, Вырастить новую еду И применять взамен обычной Или с обычной наряду.Михаил Щербаков
Теперь поговорим о направлениях, не столь коммерциализованных, но тем не менее важных и перспективных. Прежде всего это технологии, связанные с селекцией.
В начале статьи мы рассказывали о протопластах — растительных клетках без жесткой стенки, «освобожденных из деревянной тюрьмы», по выражению американского ученого Артура Галстона. Разработаны специальные методы, с помощью которых можно заставить два протопласта слиться. Это называют соматической гибридизацией. С ее помощью можно получать не только межвидовые, но и межродовые гибриды! При этом гибридизуются как ядерные, так и цито-плазматические геномы. (Цитоплазматические — это собственные геномы митохондрий и пластид: в обычном случае потомство наследует их, как и всё, что содержится в цитоплазме, от крупной материнской клетки, но не от спермия, который несет лишь ядерные хромосомы.) Если у одного из протопластов инактивировать или удалить ядро, получится цибрид — растение, гибридное только по цитоплазматическим геномам. Подобными методами создают сельскохозяйственные растения с новыми ценными свойствами — например, «заимствуют» у диких видов картофеля устойчивость к болезням и вредителям, которой так не хватает культурным сортам. Соматическая гибридизация в своем роде не менее эффективна, чем создание ГМО.
Кстати, создание генно-модифицированных растений тоже предполагает работу с культурами клеток. В культуре гораздо быстрее можно разобраться и с биохимией нового растения — к примеру, проверить, синтезируется или нет вещество, которое будет защищать его от вредителей, или провести первичные испытания на безопасность. А если результаты будут удовлетворительными, быстрее можно получить новые растения в большом количестве.
С другой стороны, для некоторых клеточных технологий новые возможности предоставляет генная модификация. Искусственные семена — такое красивое называние получили соматические эмбриоиды растений, заключенные в гелевую оболочку (это впервые проделали Шерри Китто и Жюль Янник, публикация 1985 года). Но можно обойтись и без зародышей, если использовать культуру ткани корня, трансформированную бактериями Agrobacterium rhizogenes, они же Rhizobium rhizogenes, — это близкий родственник Agrobacterium tumefaciens, чаще всего используемой в генной инженерии растений. Поражая корни растений, эти агробактерии тоже внедряют в клетки свой генетический материал в виде плазмид и заставляют ткань хозяина продуцировать опины — источник пищи для «гостей», а также бурно расти. А бурно растущую ткань особенно удобно культивировать. Ее выращивают в биореакторах для синтеза вторичных метаболитов, а кроме того, изготавливают из такой трансформированной ткани вегетативные искусственные семена — кусочки корня в гелевой оболочке. Задачи все те же: размножение, хранение, оздоровление, транспортировка. В одном из последних номеров журнала «Физиология растений» (2011, т. 58, № 3) опубликована статья сотрудников ИФР РАН, посвященная «корневым» искусственным семенам шлемника байкальского и руты душистой.
Селекционерам, как и садоводам, нужны чистые линии — растения, гомозиготные по генам всех интересующих признаков. Высшие организмы (растения и животные) диплоидны (2n), то есть каждый ген у них существуют в двух экземплярах — один получен от материнской половой клетки, другой от отцовской. Если эти копии одинаковы, то организм гомозиготен по этому гену, если различаются — гетерозиготен. Селекционерам требуются линии с высокой степенью гомозиготности, потому что в них возможен более жесткий отбор — никаких сюрпризов, связанных с рецессивными генами. (Рецессивные — это гены скрытых признаков: когда такой ген стоит в паре с более «сильным» доминантным геном, его эффект незаметен, а вот когда в одном растении встретятся два рецессивных гена, новый, не всегда желательный признак проявится.) Чтобы сделать гибридную линию стабильной путем самоопыления, нужны годы, на создание нового сорта уходит в среднем 10–12 лет.
Однако у высших организмов есть и гаплоидные клетки, с одним набором хромосом (n) — это половые клетки. Из школьного курса ботаники мы знаем, что растения не так чувствительны к плоидности, как высшие животные, — и тетраплоидные (4n), и октаплоидные (8n) организмы встречаются нередко. А в лабораторных условиях, если изолировать гаплоидные клетки — завязь с семяпочкой либо пыльники с микроспорами — и вырастить их в культуре, можно получить гаплоидное растение, все свойства которого будут как на ладони. Это сильно ускоряет работу селекционера.
Способ получения гаплоидов из культуры пыльников открыли в 1964 году индийские исследователи Сипра Гуха и Сатиш Махешвари. Позднее были найдены и способы получения гаплоидных культур из неоплодотворенных зародышей. Чтобы проверить, действительно ли растение гаплоидное, можно напрямую подсчитать число хромосом в клетках (для этого хорошо подходят активно делящиеся клетки кончиков корней). Есть и косвенный метод подтверждения гаплоидности — у таких растений примерно вдвое меньше хлоропластов в клетках устьиц, открывающих и закрывающих поры на листе.
Гаплоидные растения стерильны, но получить семена от них можно, если обработать колхицином. Это вещество (кстати, тоже растительного происхождения — алкалоид безвременника) разрушает микротрубочки веретена деления. В результате хромосомы не расходятся к полюсам — происходит их удвоение без деления, и их количество в одной клетке удваивается. Технология проста: ватку, пропитанную раствором колхицина, кладут на верхушку гаплоидного растения. После цветения оно дает семена, идеально гомозиготные.
Сравнительно недавно в РСХА таким образом научились получать гаплоидные и дигаплоидные растения-регенеранты белокочанной капусты из культуры. (Дигаплоидов получают гаплоидизацией полиплоидных растений, для тех же целей, что и гаплоидные из диплоидных; кто запутался в терминологии, пусть посмотрит в учебнике.)
Получение чистых линий — это второй этап традиционной селекции. Новые признаки, нужные селекционеру, дает гибридизация. Но бывает так, что выбранные генотипы не скрещиваются in vivo (потому, что цветут в различное время или из-за «анатомической несовместимости» — скажем, пыльцевая трубка, прорастающая из пыльцевого зерна, слишком коротка и не дотягивается яйцеклетки.) Однако во многих случаях оплодотворение можно произвести in vitro. «Жаль, что селекционеры мало этим пользуются», — отмечает Е. А. Калашникова.
Но и получить гибридные семена — это только первый шаг, они должны еще успешно начать развиваться и прорасти. А с этим бывают проблемы: например, если генетическое несходство родительских растений достаточно велико, может получиться так, что зародыш и эндосперм, обеспечивающий питание зародыша, станут развиваться асинхронно. В итоге зародыш погибнет либо от недостатка питательных веществ, либо будет отравлен их избытком. Но этого можно избежать, если извлечь зародыш из незрелого семени и поместить его в питательную среду оптимального состава. (Как это делается, можно посмотреть на обложке журнала.)
Не менее важная задача, чем создание нового, — сохранение и приумножение того, что у нас есть: клональное микроразмножение ценных гибридов и сортов, а также диких видов и труднокультивируемых растений. О размножении мы уже сказали достаточно, теперь перейдем к хранению.
Как уже говорилось, в культуре мы волей-неволей ведем отбор в популяции клеток. Накапливаются мутации, изменяются свойства, и в конце концов не очевидно, что регенерант, выращенный из этой культуры, будет идентичен тому растению, от которого был взят эксплант. Если требуется неизменность в течение долгого времени, то гораздо эффективнее криоконсервация — хранение биообъектов in vitro в жидком азоте при — 196°С. Разумеется, для этого необходимы специальная аппаратура, среды, содержащие криопротекторы, специальные режимы замораживания — размораживания и многое другое.
Во Всероссийской коллекции культур клеток высших растений (отдел биологии клетки и биотехнологии ИФР РАН) находятся десятки каллусных и суспензионных культур клеток. Созданный там же криобанк был одним из первых в мире. Культуры женьшеня, созданные в 70-е годы, хранятся в ИФР до сих пор, не потеряв жизнеспособности. Там «спят» при сверхнизких температурах и другие уникальные штаммы-продуценты, например диоскореи дельтовидной, а также фрагменты тканей ценных сортов картофеля, земляники, малины, черной смородины.
Великие фантасты не любят подолгу задерживаться в лабораториях, но, несомненно, славный ботаник Кейн из рассказа Желязны, чтобы вырастить цветок для марсианской танцовщицы, первым делом отправился в походное криохранилище за каллусной тканью Rosa sp. Хорошо, что она у него была, иначе так бы и погибла древняя мудрая цивилизация.
elementy.ru
