Биотехнология ответственный редактор академик И. И. Гительзон

6.4. НОВЕЙШИЕ МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ. 
Наибольший вклад биотехнологии в сельское хозяйство, по общему мне-
нию, следует ожидать за счет улучшения свойств культурных растений с 
использованием новейших методов клеточной и генетической инженерии. 
Культура растительных клеток и тканей
Первым применением новейших методов биотехнологии для высших 
растений стало их клональное размножение. Этому в значительной степе-
ни исследования в области фитогармонов, проведенные в конце 50-х го-
дов. Способность регенерации большого числа растений из массы неорга-
низованных тканей (каллусов), пролиферирующих in vitro, и из культур 
органов и пазушных почек чрезвычайно эффективной. После того, как 
было выяснено, что клеточная дифференцировка и развитие растений, в 
основном, контролируются уровнями растительных гормонов, была про-
демонстрирована возможность создания условий in vitro, вызывающих 
клеточный рост, морфогенез и регенерацию растений из отдельных клеток 
или недифференцированных каллусов. Растительные клетки и культура 
тканей – основные объекты клеточной биологии, которая предоставляет 
возможности регенерации растений из протопластов, клеток и тканей, 
которые, в свою очередь, могут быть трансформированы или отобраны по 
специфическим генетическим признакам (рис.6.2). Культура растительных 
клеток позволяет сравнительно быстро получать многочисленные популя-
ции в управляемых и контролируемых условиях среды на ограниченном 
пространстве и идентифицировать линии растений с повышенной биоло-
гической продуктивностью. Растительные клетки могут культивироваться 
как на жидких, так и твердых средах. Используемые при этом приемы ана-
логичны культивированию микроорганизмов. Процесс начинают со взятия 
в асептических условиях кусочков ткани от молодого здорового растения, 
как правило, используют листья или ствол. Ткань помещают в подобранную 
питательную среду при соответствующих физико-химических факторах 
среды. После получения каллуса возможно продолжение его выращивания 

---

198 
на твердой среде или получение суспензии клеток. Суспендированные рас-
тительные клетки по сравнению с клетками каллуса более гомогенны, быст-
рее растут и имеют более высокие адаптивные возможности.  
Культуры растительных клеток могут быть использованы для био-
трансформации химических соединений и для эффективного синтеза био-
логически активных соединений de novo. В культуре клеток не только 
сохраняется способность продуцировать биологически активные соедине-
ния, свойственные исходному растению, но и возникает способность син-
тезировать новые ценные продукты, не обнаруженные в соответствующих 
интактных растениях (перицин, перикалин, хинокиол, ферригинол, аку-
аммалин и др.). При этом в ряде случаев в клеточных культурах целевой 
продукт накапливается в более значительных количествах, чем в целых 
растениях. Возможно также получение мутантов с повышенными продук-
ционными качествами. В крупных масштабах культивирование расти-
тельных клеток стали применять с середины 70-х годов. В настоящее вре-
мя реализованы крупномасштабные культивационные системы раститель-
ных клеток объемом до 20 м3 для получения различных ценных веществ – 
ментола, женьшеня, убихинона-10, бетанина, камптотецина (антиканцеро-
ген), полипептидов – ингибиторов фитовирусов, агар-агара и др. Список 
этот пополняется. Общими недостатками метода являются: низкие скоро-
сти роста растительных клеток, высокая частота инфекции, генетическая 
нестабильность. Кроме этого, в суспензии клеток наблюдается их агрега-
ция, дифференцировка, в результате чего снижается активность.
Этих недостатков лишены процессы с использованием иммобилизо-
ванных растительных клеток. Такие биологические системы более устой-
чивы к механическим повреждениям, при этом фаза роста клеток совпада-
Каллус
Фундаментальные исследования
Вегетативное размножение
Оздоровление
Искусственные семена
Замена органелл
Селекция, мутации, вариации
Гибридизация: половая, соматическая
Гибридизация: андрогенная,
гиногенная
Вторичные продукты
и биотрансформация
Молекулярно-генетическая
инженерия растений
Биотехнологическое
применение
Соматические
эмбриоиды
Клетки
Протопласты
Мерисистемы, яйцеклетки,
эмбрионы,
микроспоры,
пыльники
Рис. 6.2. Биотехнологическое использование культуры клеток и тканей растений.
Длина стрелок указывает относительную легкость или трудность взаимных переходов 
(по Х. Борман, 1991).

---

199 
ет с фазой образования продукта; клетки легко переносятся в новую среду 
или иные культивационные условия. Основные трудности данной техно-
логии связаны с недостаточной изученностью регуляции метаболизма у 
эукариотических растительных клеток.
Особенностью клеточных культур растений является их способность к 
тотипотенции, – в определенной среде и определенных условиях можно 
регенерировать целое растение из одной клетки. Подобное свойство от-
сутствует у животных. Таким образом, в любой растительной клетке за-
ложена генетическая информация, необходимая для дифференцировки 
клеток в процессе деления. Этот феномен используют при микроразмно-
жении растений. Данная технология имеет существенные преимущества, 
так как позволяет быстро получать материал для размножения растений, 
включая системы, не содержащие возбудителей болезней, круглогодично 
иметь рассадочный материал и повышать его однородность, длительно 
хранить генетический материал и создавать новые генотипы.
С тех пор, как впервые удалось индуцировать из одной клетки регене-
рацию целого растения, техника культуры клеток стала широко приме-
няться для клонирования. Тотипотенция была продемонстрирована на 
культурах тканей ряда растительных видов, а позднее – на соматических и 
половых клетках, изолированных из различных растений.
На рис.6.3 представлена схема клонального размножения растений 
Catharanthus roseus из верхушечных меристем. После проращивания сте-
рильных семян C. roseus через 7 дней кончики побегов проростков срезали 
и проращивали в темноте, затем кончики проростков помещали на по-
верхность агаризованной среды Нича и культивировали на свету. Спустя 8 
недель из апикальных меристем формировались прорости с развитой кор-
невой системой. Эти проростки использовали для второго этапа размно-
жения, в ходе которого эксплантанты, состоящие из одного узла и одной 
пары листьев формировали проростки с корнями и 4–5 парами листьев. 
После третьего пассажа развивались проростки с тем же числом узлов. 
Укоренившиеся проростки пересаживали в горшки со стерильной почвой. 
После 14-дневного периода акклиматизации проростки высаживали в поч-
ву; выживаемость проростков при этом составила 90 %.
В 1971 г. Табеке с сотрудниками, обрабатывая листья табака с целью 
растворения клеточных стенок сочетанием целлюлозы и пектиназы, доби-
лись успеха в получении протопластов. Протопласты при культивирова-
нии в жидкой среде в процессе деления формировали каллус, способный к 
регенерации целого растения. При этом свыше 90 % протоклонов (клонов, 
полученных из протопластов) были удивительно сходны с родительскими 
видами как по фенотипу, так и по генотипу. Протопласты позволили пре-
одолеть обычную изменчивость, свойственную другим способам получе- 

---

200 
ния клонов. В конце 80-х годов в США была разработана техника регенера-
ции растения картофеля из протопластов сорта Рассет Бербанк. В течение 
12–14 дней протопласты формировали клеточные стенки, начинали деление 
и образовывали каллус. После этого их переносили в культуральную среду, 
делая три пассажа; в последней культуре были получены целые растения. 
Полученное огромное количество клонов (около 60 000) было проанализи-
ровано, при этом установили их неоднородность. Техника открывает огром-
Семена
Проросток
II пассаж
Растения-регенераты
Растение в горшке
Растение в почве
в аранжерее
III пассаж
I пассаж
Верхушка побега
проростка
с гипокотилем
Рис. 6.3. Схема клонального микроразмножения Catharanthus roseus
(по Н. Оледзка и др., 1991). 

---

201 
ные перспективы для эффективной селекции растений в лабораторных ус-
ловиях. Такая работа проведена на протопластах табака, петунии и ряде 
других видов с целью получения форм, устойчивых к пестицидам. Появи-
лась реальная возможность использовать технику регенерации целых расте-
ний их клеточных культур и каллусов для выведения новых сортов ряда 
важных культур (сои, маниока), для изменения сортов хлебных злаков, ко-
торые ранее не удавалось регенерировать из тканевых культур.
Культура растительных тканей, аналогично культуре клеток, позволяет 
достаточно быстро получать здоровые растительные клоны и на этой ос-
нове – перспективный рассадочный материал. После того, как было уста-
новлено, что апикальная меристема (небольшой участок недифференци-
рованных клеток на кончике стебля) способна к росту с образованием це-
лого растения, эта техника стала применяться для клонирования линий 
растений (рис. 6.4–6.5).
Рис. 6.4. Меристемные регенеранты гороха посевного (слева)
и клевера лугового (справа) на разных средах. 
а – с добавлением биологически активных веществ; б – без экзогенных регуляторов роста
(по Х. Каллаку и А. Кыйвеэру, 1991).

---

202 
Рис. 6.5. Регенерация растений in vitro. 
Регенерация Citrullus vulgaris из листовых дисков и сегментов гипокотиля.
Сверху – инициация каллусообразования, снизу – регенерация корней.

---

203 
Рис. 6.5 – продолжение.
Сверху – регенерация побегов Citrullus vulgaris, снизу – регенерация полноценного растения арбуза
(по Э. С. Пирузян, 1988). 

---

204 
Клетки меристемы при перенесении в питательную среду делятся, об-
разуя маленькое растение с пятью-шестью листиками. Через несколько 
недель выросший стебель разрезают на пять-шесть микрочеренков, кото-
рые в благоприятных условиях вырастают в целые растения. При культи-
вировании растительных меристем за сравнительно короткий срок удается 
получить большое здоровое потомство (миллионы растений в год). Тех-
нология эффективна при использовании для размножения однолетних 
культур, так как позволяет получать молодые растения. Апикальная мери-
стема свободна от вирусов. Растения, полученные при ее размножении, 
также не заражены вирусами. В результате применения этой техники сна-
чала были получены безвирусные сорта георгинов, а затем восстановлен 
сорт картофеля (бель-де-фонтоне), практически исчезнувший из-за вирус-
ного заражения, затем и сорта многих других растений. 
Особые успехи применения данной технологии были достигнуты при 
размножении масличной пальмы методами культуры ткани in vitro. Гви-
нейская масличная пальма является вторым после сои источником полу-
чения масла. Специфика эксплуатации масличной пальмы такова, что эф-
фективное ее применение возможно в течение 25–30 лет; после этого пе-
риода плантации приходится обновлять. Для этого требуются миллионы 
молодых проростков. Усовершенствование и размножение растений ме-
тодом скрещивания сопряжено с огромными затратами труда и времени. 
В связи с тем, что масличная пальма не образует побегов и боковых вет-
вей в природных условиях, пришлось обратиться к культуре ткани in vitro. 
В ходе исследований от культивирования меристемы отказались; каллус 
получали из частей молодых листьев с верхушки дерева. Далее культиви-
ровали каллусы до получения целого растения. Каллусы формировались в 
течение трех месяцев, при переносе во вторую и третью культуры из них 
формировались «эмбриоиды», аналогичные эмбрионам, получаемым при 
половом процессе. Эмбрионы быстро размножаются в четвертой культу-
ре, в течение месяца их количество может утроиться. В течение одного 
года из 10 эмбрионов можно получить до 500 000 растений. В пятой куль-
туре эмбрионы развиваются в молодые проростки с листочками; а в шес-
той – седьмой – происходит образование корней. Полный цикл развития 
растений от «эмбриоидной» стадии до проростка с высотой надземной 
части около 12 см происходит в течение трех месяцев. Этот метод на ост-
ровах Новой Гвинеи в полупромышленных масштабах применяют с нача-
ла девяностых годов. В настоящее время проводятся испытания клониро-
ванного материала в полевых условиях. Благодаря применению техники 
клонирования страны Западной Африки смогут интенсифицировать про-
цесс создания новых пальмовых плантаций, что позволит увеличить объ-
емы производства масла и со временем устранить имеющийся дефицит 
жиров.

---

205