32. Утворення вторинних речовин в культурах рослинних тканин

Алкалоїди

Тропанові алкалоїди, особливо атропін і скополамін, мають велике значення для медицини. У рослинній сировині їх вміст дуже незначний. Джерелами тропанових алкалоїдів в основному є представники родини Solanacea. Тропанові алкалоїди ідентифіковані у культурах ізольованих коренів, клітинних і калюсних культурах Atropa belladonna (красавка), видів Scopolia, Datura, але в менших кількостях ніж у інтактній рослині.

Індольні алкалоїди в ізольованій культурі найбільш вивчені у барвінку і раувольфії. Барвінок містить понад 60 алкалоїдів, 4 з яких мають протипухлинну активність. У культурі in vitro виявлено 10 алкалоїдів, які не ідентифіковано у дорослої рослини. Алкалоїди виявлені у калюсах стеблового і листового походження, але відсутні у калюсах кореневого походження.

Із кореневого калюсу раувольфії виділені резерпін, серпентин і аймалін – протигіпертонічні препарати. При вивченні калюсів різного походження виявлено, що культури насіннєвого і кореневого походження багатші на алкалоїди, ніж культура листкового походження. Показано, що загальна кількість алкалоїдів раувульфії збільшується по мірі росту і старіння культури.

Глікозиди

Основною сировиною для промислового отримання серцевих глікозидів є види Digitalis (наперстянка). Кількість глікозидів у калюсних культурах Digitalis зменшується у процесі культивування.

Таніни – катехіни, епікатенхіни, лейкоантоціани виявлені у калюсній тканині ялівцю, суспензійній культурі троянди, калюсній культурі листка і стебла чайної рослини, калюсах сосни і цикламена.

У калюсі ялівцю таніни накопичуються у окремих клітинах або групах клітин, у калюсі сосни – у гранулярному ЕР і вакуолях клітин, у калюсі цикламена – у вакуолях клітин губчастої і складчастої паренхіми.

Фенольні сполуки - каротиноїди, стероїди, антоціани. Культура клітин використовується для вивчення багатьох аспектів біохімії цих сполук. Феноли у суспензійних культурах активно накопичуються на завершальних етапах росту.

Ефірні олії у тканинах цілих рослин утворюються у спеціалізованих секреторних утвореннях – ефіроолійних залозистих волосках, каналах, а у культурі тканин в результаті послабленої диференціації такі структури не утворюються. Можливо тому не вдалося виявити ефірні олії у калюсних тканинах лимона, персика, авокадо. Але відомі приклади збереження калюсною тканиною здатності до синтезу ефірних олій в особливих клітинах паренхімного типу – ідіобластах. Так, у культурах рути духм’яної, які вирощували у темряві, ефірна олія виявлена в ідіобластах, розташованих групами у глибині тканини, а для калюсу, що виріс на світлі характерна наявність спеціалізованих вмістилищ на його поверхні.

У культурі тканин деяких рослин виявлені складові ефірних олій, які не зустрічаються в органах цілої рослини. У калюсних культур рослин родин зонтичних і губоцвітих виявлена ефірна олія, яка за складом відрізняється від олії інтактних рослин.

Є дані, що ефірні олії, які синтезують ефіроолійні рослини, не завжди утворюються в калюсних тканинах із цих рослин. Клітини, вилучені з материнських рослин і поміщені in vitro, зберігають здатність відтворювати основні ланцюги біохімічних синтезів вторинних метаболітів.

In vitro створюються умови, які дозволяють виділити окремі нові штами клітин зі стійкою направленістю синтезу речовин вторинного обміну. Важливим є те, що у ряді випадків in vitro клітина набуває здатності синтезувати речовини, які в інтактній материнській рослині не виявлені, наприклад: перицин, перикалін, хінокіол, феригінол, воміленін та інші. У ряді випадків у клітинних культурах цільовий продукт накопичується у значно більших кількостях, ніж у відповідних інтактних рослинах (табл. 5). Цьому сприяють селекція мутантних клонів і оптимізація умов вирощування.

На цій основі створюється можливість розробки методів і технологій для отримання речовин вторинного синтезу, які цінні для медицини, парфюмерії, сільського господарства. Перше повідомлення про синтез каучуку клітинами гваюли зробив у 1940 році Дж. Боннер. Сьогодні нараховують понад 50 груп вторинних метаболітів, які продукуються культурами рослинних клітин. Серед

них: алкалоїди, амінокислоти, антилейкемійні агенти, антипухлинні агенти, білки, вітаміни, гормони, запашні речовини, інгібітори вірусів рослин, барвники, інсектициди, інсулінподібні речовини, ліпіди, пігменти, харчові добавки тощо.

Отримання вторинних метаболітів in vitro має ряд переваг:

• швидкість одержання;

• незалежність від погодних умов;

• непотрібність великих площ для вирощування рослин у відкритому ґрунті;

• звільнення рослинного матеріалу від хвороб та шкідників;

• одержання екологічно чистих продуктів.

Для отримання речовин вторинного синтезу використовують два основних типи культур in vitro. Це культура калюсних тканин і клітинні суспензії. Калюсні культури, які мають повільнішу

швидкість росту, як правило, накопичують вторинні метаболіти у більших кількостях, ніж клітини суспензії, які при вирощуванні у ферментерах накопичують значну кількість біомаси, але вихід вторинних речовин залишається відносно низьким. У зв’язку з цим при промисловому культивуванні перевага надається використанню іммобілізованих (нерухомих) клітин, які накопичують біомасу повільніше, ніж клітини, які ростуть в рідких суспензійних культурах.

Клітини, іммобілізовані в або на інертний субстрат мають ряд переваг над клітинами, що культивуються у вільному стані:

• вони не утворюють агрегатів, не диференціюються і не змінюють синтетичну активність;

• мають підвищену стійкість до механічних пошкоджень;

• у них фаза росту співпадає з фазою утворення метаболітів;

• їх легко можна перенести у свіже середовище або реакційну суміш.

Для іммобілізації можна використовувати гомогенну суспензію, невеликі агрегати клітин або гомогенат рослинної тканини.