10.08.2021 №32

image

В Институте леса НАН Беларуси разрабатываются методики соматического эмбриогенеза ели европейской.

image

 

image

 

Актуальность разработки технологии соматического эмбриогенеза ели для Беларуси обуславливается тем, что это древесное растение – один из наших основных лесообразующих видов. Ельники занимают около 9,5% лесопокрытой площади и имеют важное хозяйственное и средообразующее значение, что создает необходимость совершенствования технологий их воспроизводства. В свою очередь формированию устойчивых и высокопродуктивных насаждений способствует практическое применение современных селекционно-генетических методов и высокоэффективных способов клонального размножения отобранных индивидов.

Благодаря помощи коллег из Института дендрологии Польской академии наук и Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН нам удалось воспроизвести все этапы соматического эмбриогенеза. Сейчас работаем над оптимизацией условий культивирования материала для того, чтобы добиться приемлемого для опытно-промышленного использования уровня эффективности этого методического подхода. И, конечно, хотелось бы реализовать все преимущества соматического эмбриогенеза на практике.

«Взросление» эмбриоидов

Соматический эмбриогенез – это метод вегетативного размножения растений. Его отличительная особенность: при определенных условиях в культуре растительной ткани in vitro начинают формироваться соматические эмбриоиды, которые проходят все типичные для данного растения стадии развития зародыша. До сих пор не вполне ясно, что именно служит спусковым механизмом для начала этого явления. А выглядит это на примере ели европейской следующим образом. Сначала на питательные среды, напоминающие по консистенции мармелад и содержащие в своем составе синтетические фитогормоны, помещаются обычные зародыши, выделенные из семян. Под действием регуляторов роста растительные ткани начинают неорганизованно разрастаться и формируют плотный каллус. В какой-то момент времени на отдельных «разбухших» зародышах появляется отно­сительно быстрорастущая клеточная масса, которая при рассмотрении невооруженным глазом выглядит как снег или иней. Именно внутри этой необычной ткани постоянно происходит формирование и распад все новых зачатков соматических эмбриоидов.

Этим заканчивается первый этап работы – инициация эмбриогенной культуры и начинается второй – ее пролиферация, т.е. наращивание объема. На этой стадии наша живая «снежная» масса растет, делится человеком на части и снова растет. Когда мы получаем достаточное количество материала, можем переходить к третьему этапу – созреванию эмбриоидов. Для стимуляции названного процесса рыхлую каллусную ткань переносят на специальные питательные среды, содержащие фитогормон абсцизовую кислоту, который стимулирует формирование зародышеподобных структур из их микроскопических зачатков. Ближе к окончанию этапа созревания «снежная» масса выглядит «подтаявшей» и потемневшей, зато на поверхности она обсыпана желтыми эбриоидами, напоминающими по строению зиготические зародыши: в них хорошо различимы семядоли, гипокотиль, корешок. Такие структуры можно отделять и помещать на питательные среды без гормональных регуляторов роста для выполнения четвертого этапа эмбриогенеза – прорастания. Именно на этом отрезке времени происходит формирование полноценного растения.

Заключительная стадия процесса соматического эмбриогенеза – адаптация микрорастений к почвенным условиям, во время которой мы должны научить их, выращенных в пробирке, существовать в естественных условиях.

«Звездный час» клонов

image

Соматический эмбриогенез – достаточно длительный и трудоемкий процесс, однако масштабы его использования в биотехнологии древесно-кустарниковых растений постоянно растут. С чем связаны такие предпочтения ученых и практиков?

Во-первых, для соматического эмбриогенеза характерна высокая эффективность размножения, превосходящая другие известные методы получения вегетативных потомков. В случае ели из одного грамма «снежной» клеточной массы можно получить до нескольких сотен эмбриоидов и, соответственно, растений, имеющих одни и те же наследственные характеристики. Такая продуктивность уже позволила использовать технологию как для создания опытных лесных насаждений, так и для закладки лесосырьевых плантаций. К примеру, промышленная корпорация J.D. Irving, Limited организовала в Канаде предприятие по выпуску клонированного посадочного материала ели европейской с годовым объемом производства на уровне нескольких миллионов штук. Получаемые таким образом саженцы служат для закладки лесных плантаций на наиболее подходящих для произрастания данной породы площадях.

Второе преимущество соматического эмбриогенеза: благодаря особенностям роста культуры она может выращиваться как на плотных, так и в жидких питательных средах. В последнем случае чрезвычайно упрощается задача по автоматизации производства посадочного материала, так как при этом могут быть применены те же принципы, что и в микробиологических технологических процессах, например использование проточных биореакторов.

Тесно связано с первым и вторым преимуществами третье: возможность получения искусственных семян. Суть подхода заключается в том, что зрелый эмбриоид упаковывается в полимерный носитель, заменяющий естественные оболочки семени. Полученная таким образом структура может транспортироваться, храниться и высеваться для получения посадочного материала по технологиям, которые практически не отличаются от выращивания сеянцев и саженцев из семян.

Четвертое важное преимущество соматического эмбриогенеза – удобство его использования для генно-инженерных манипуляций, таких как получение генетически модифицированных растений, применение методов геномного редактирования и др. Дело в том, что для ели европейской и многих других хвойных видов данный подход остается единственным известным на сегодня способом регенерации полноценных растений из небольшого количества клеток, что в свою очередь многократно повышает шансы на получение индивидов, все клетки которых несут целевую генетическую конструкцию.

Марина КУСЕНКОВА, аспирант, младший научный сотрудник

Дмитрий КУЛАГИН, научный сотрудник научно-исследовательского отдела лесной генетики, селекции и биотехнологии Института леса НАН Беларуси