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 все, 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.
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»?
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.
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. 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 все 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 все 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).