И наконец, еще одно важное достоинство использования питательных сред. В пробирке удается слить воедино соматические клетки разных видов. Для этого, правда, их приходится беззастенчиво “раздевать” — освобождать от оболочки с помощью специальных ферментов. После этой процедуры мы имеем дело уже не с клеткой, а с протопластом. Протопласты двух видов кидают в один протопласт — гетерокариот, который через некоторое время обзаводится новой “одежкой” . Так удается объединять даже животные клетки с растительными, например, клетку табака с обнаженной клеткой дрозофилы. Надо сказать, что такие клетки, хотя и пытаются делиться, но впустую. К делению способны пока лишь слитые клетки видов в пределах одного рода, изредка — различных родов и семейств. Но как знать! Со временем будет преодолена и эта несовместимость, и селекционеры получат гибриды, которые им и во сне не снились.
К настоящему времени удалось совместить протопласты и получить соматические гибриды картофеля и томата, правда, с мизерным урожаем плодов и клубней. А вот соматическая гибридизация устойчивых к болезням и вредителям диких диплоидных видов картофеля (2х) с культурными диплоидными {2х) может представить практический интерес: 2х + 2х = 4х — это как раз оптимальный уровень плоидности у картофеля.
Неожиданны результаты канадца К. Н. Као, который получил гетерокариотическне (с совмещенными ядрами) клетки из слившихся протопластов сон и табака сизого (табачного дерева) , способные к делению, и линии клеток сои и табака с синхронным делением хромосом.
При использовании культуры клеток и тканей удается быстро размножить новый сорт, если культуру в производстве размножают вегетативно, или линию для производства гибридных семян у овощных, декоративных и других возделываемых растении. Чаще всего размножают (клонируют) верхушки побегов (такое размножение не совсем точно называют культурой меристемы — ведь, кроме последней, в процесс включаются и другие элементы) и латеральную (боковую) меристему — образовательную, интенсивно делящуюся ткань. Возрастает использование культур тканей для клонирования соцветий, цветков, боковых почек, листьев и корней, культуры каллуса и в отдельных случаях культуры клеток. У спаржи для размножения наиболее пригодны верхушки побегов, у пасленовых и краснокочанной капусты — кусочки (экспланты) листа, у цветной капусты и нарцисса — частички соцветий, у лилейных, ирисовых (касатиковых) и амариллисовых — экспланты из луковиц, клубней, ризомов (коротких мясистых корневищ) , листьев, соцветий и семяпочек, у птицемлечника — экспланты из стебля, листьев, завязи, чашелистиков и даже луковичной чешуи, у глоксинии — высечки из листьев и цветоножек, у лука порея — кусочки луковицы, у герани при получении диплоидных растений — экспланты пыльников.
Наиболее экономически выгодно размножение в культуре тканей селекционных сортов цветов: орхидей, агав, бегоний, хризантем, цикламена, драцены, ириса, лилий, нарцисса, флокса и других.
Новой областью применения клонирования в стерильной среде верхушек побегов и других эксплантов стало размножение пород кустарников, плодовых культур и ананаса.
Из каллуса от зубчиков чеснока получили безвирусные растения. Экономически оправдано размножение методом стерильной культуры гетерозисных гибридных семян овощных и декоративных культур.
Культура тканей растении, главным образом верхушек побегов (меристем) , играет очень важную роль в освобождении семенного материала от вирусов. Цветоводы первыми обнаружили, что растения, выращенные не из клубней или луковиц, а из делящихся клеток, помещенных в питательную среду, вирусными болезнями, как правило, не поражены и дают здоровое вегетативное потомство клубней и луковиц. Этот прием взяли на вооружение и картофелеводы-семеноводы.
Получение свободных или, вернее, почти свободных от вирусов растений — обычный прием первичного семеноводства некоторых сельскохозяйственных культур: картофеля, клевера, люцерны и хмеля, овощных (хрена, ревеня, шампиньона, цветной капусты) , плодовых культур (малины, красной и черной смородины, яблони, сливы) , а также декоративных растений (хризантемы, гвоздики, пеларгонии, фрезии, цимбидиума, гортензии, нарцисса, лилии, гиацинта, ириса, тюльпана, гладиолуса) Некоторых физиологов задолго до того, как они осознали себя в роли биотехнологов, заинтересовали биорегуляторы растений и ранее всего стимуляторы роста.
В начале второй мировой войны был открыт ауксин. Сначала его получали из верхушки колеоптиля (бесцветного чехла, защищающего первый молодой лист) кукурузы. Но это был поистине каторжный труд: за 10 дней восемь лаборанток немецкого биохимика-фанатика Ф. Кегля переработали 100 тысяч проростков и получили в результате количество активного вещества, достаточное лишь для установления кислой природы ауксина. Для того чтобы таким путем добыть из колеоптилей кукурузы 250 миллиграммов ауксина, лаборанткам пришлось бы проработать, не прерываясь на сон и еду, по крайней мере, 400 лет.
К счастью, вскоре был найден обильный и доступный источник ауксина. Им оказалась человеческая моча. Как установили дотошные химики, в среднем каждый житель планеты ежедневно может давать для нужд биохимии, физиологии и сельского хозяйства примерно 1—2 миллиграмма ауксина.
Под названием ауксин объединен целый ряд веществ — регуляторов роста. Важнейшее из них получило наименование гетероаукснна и представляет собой бета-индолил-уксусную кислоту, или ИУК. ИУК в изобилии образуется микроорганизмами — дрожжами, грибами и бактериями.
ИУК эффективно используют для ускорения образования корней у черенков плодово-ягодных и других растений. В настоящее время синтезирован целый ряд ауксинов, среди которых особенно большой активностью обладает бета-нафтил-уксусная кислота (НУК) .
Близко к группе гетероауксинов стоят гербициды, представляющие собой производные фенокси-уксусной кислоты. В культуре клеток, тканей и органов чаще всего применяют 2,4-дихлорфенокси-уксусную кислоту (2,4-Д) , 2,4,6-трихлорфенокси-уксусную кислоту и 2-метил-4-хлорфенокси-уксусную кислоту. Обладают активностью и используются как свободные кислоты, так и растворимые в воде натриевые и аммонийные соли этих кислот, а также их эфиры. Кроме того, идут в дело еще и этаноламиновые соли. Эти гербициды были открыты одновременно в начале второй мировой войны в США и Великобритании.
2,4-Д может заменить (гетероауксин в культуре тканей, причем он в 10 с лишним раз активнее последнего вызывает образование корней, распад крахмала, усиливает дыхание. Очень слабые концентрации гербицида действуют благоприятно на прорастание семян и на развитие микроорганизмов.
В Японии некогда приметили интересное заболевание молодых растении риса, вызываемое грибом Gibbcrcllafujukuroi. Наряду с гибелью растений у некоторых экземпляров, оставшихся в живых, можно было наблюдать энергичный рост стеблей и листьев. Как выяснилось, ускорение роста вызывается соединениями, являющимися продуктами обмена веществ гриба. Эти вещества (терпеноиды) , выделенные в чистом виде получили название гиббереллинов.
Гиббереллины способны стимулировать не только рост, но и цветение. Их применяют в основном для ускорения прорастания ячменя при изготовлении солода и для повышения урожайности винограда.
Позднее был открыт ряд соединений, оказывающих сильное стимулирующее действие на деление растительных клеток — цитокининов. Из них наиболее активен кинетин. Очень активным соединением явилась дифенилмочевина, выделенная из кокосового молока.
Для выявления эффекта действия ростовых веществ необходимы поразительно малые их концентрации. Одного грамма гетероауксина, например, достаточно для 10(в13 степени) растений. Чтобы рассадить эти растения, предоставив каждому площадь питания в квадратный сантиметр, потребовалась бы пашня площадью более 900 квадратных километров. Чтобы развести грамм гетероауксина до недеятельной концентрации, необходимо 200 миллиардов литров, для доставки которых потребовалось бы 400 тысяч железнодорожных составов.
Активность ростовых веществ растений на единицу массы по активности не уступает активности животных гормонов. Так, активность ауксина для овса превосходит активность эстрона для мышей в 10 раз, тороксина для человека — в 100 и андростерона для каплунов — в 1000 раз.
К активным веществам, играющим существенную роль в культуре тканей, принадлежат и витамины. Так, тиамин (анейрин, витамин В1) участвует в процессе роста корней. Многократные пассажи (посевы клеток) кончиков корней без него невозможны. Для роста корней, помимо питательных веществ и тиамина, необходимы и другие витамины. Например, горох и редис нуждаются еще в никотиновой кислоте, на томаты благоприятно действует витамин B6 (еще лучше с никотиновой кислотой) . А вот лен может обойтись одним тиамином.
В зернах злаков тиамин находится в алейроновом слое и, следовательно, не может присутствовать в полированном рисе. Поэтому преимущественное употребление его в пищу населением Восточной Азии приводило к вспышкам бери-бери.
При автоклавировании (автоклавы — герметичные аппараты для выполнения работ при повышенной температуре и давлении для стерилизации) тиамин расщепляется на пиримидин и тиазол. Для роста корней томата, оказывается, достаточно одного тиазола, а для некоторых фитопатогенных грибов — только пиримидина (при необходимости организм сам синтезирует второй компонент тиамина) . Возможно, это имеет какое-то значение при симбиозе (например, у лишайников или микротрофных растений) , а также паразитизме.