§36. Өсімдік ағзаларын клондау әдістері
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: өсімдік ағзаларын клондау әдістерін түсіндіру.
Жасуша және ұлпа себінділері дегеніміз не? Меристема дегеніміз не? Кесілген ағаш түбірінен ненің нәтижесінде жас өркендер – өскіндер шыға бастайды? Жарақат меристемасы немесе бұйыққан бүршік туралы не білесіңдер?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 7-сыныптан 62-параграфты, 8-сыныптан 58-параграфты қайталау керек.
Клондау нысаны ретінде өсімдіктердің ерекшеліктері. Өсімдіктер нысан ретінде клондау үдерісіне ыңғайлы ағзалар болып табылады. Өсімдік ағзалары тұтас өсімдік ағзасын «жасуша және ұлпа себінділерінен» өсіру арқылы заманауи клондау әдісіне жеңіл ұшырайды. Себебі өсімдік денесінде түзуші ұлпа жасушаларының біраз мөлшері әрдайым сақталады, дене (сома) жасушалары болып, қызметі жағынан ұрық жасушасына ұқсайды. Бұл меристемалар деп аталады. Оның үстіне меристемалық жасушалар тек көбеюге жоғары қабілетке ие емес, олардың генетикалық бағдарламасы алуан түрлі жойылған ұлпалар мен мүшелерге дифференциацияны жоймайды.
Кесілген ағаш түбірінде жас өркендер – өскіндер өсе бастайтынын көрген шығарсыңдар. Егер ағашқа үлкен ағаш болғанша өсіп, табиғи жолмен қурауына мүмкіндік берсе, ескі дің негізінде ешқандай жаңа бұтақтар пайда болмас еді. Олар қайдан пайда болды? Өсімдік ағзасында қосалқы бүршіктер, «жарақат меристемалары», тіршілігін жойған өсімдік бөліктерінің орнына жаңасын түзуге қабілетті жасушалардан тұратын басқа элементтер сақталады.
Жасушалық инженерия әдістері жеке жасушаларды қоректік ортада өсіруге байланысты. Тіршілік әрекетіне қажетті барлық зат бар қоректік ортаға орналастырылған өсімдік және жануар жасушалары бөлінуге қабілетті екен. Өсімдік және жануар жасушалары тотипотенттілік қасиетке ие – қажетті заттар болғанда, тіршілік әрекетіне керек барлық нәруызды синтездеуге қабілетті. Бірақ дәл өсімдік жасушалары жануар жасушаларынан айырмашылығы жоғары тотипотенттілікке ие, яғни белгілі бір жағдайда олар толыққанды өсімдікке дейін дами ала алады.
Клондалған өсімдіктерді өсірудің дәстүрлі вегетативті көбею жолымен емес, әртүрлі биотехнология әдістерімен өсіруді қарастырайық.
Микроқалемшелеу – өсімдіктерді бүршіктерінен өсіру. Кеңінен таралған бірнеше әдіс бар, зертханада стерильді жағдайда арнайы құрал-жабдықтарды, қоректік ортаны, антибиотиктерді, өсу факторын (фитогормондар) және т.б. қолдана отырып, ғалымдар түзілген бүршіктен микроқалемшелерді алады. Бұл әдістемеде жасушалар себінділері (in vitro өсімдік ағзасынан тыс көбею кезінде алынған жасушалар массасы) кезеңі жоқ. Шын мәнінде, клондаудың бұл әдісі кәдімгі вегетативті көбеюден еш айырмашылық жасамайды. Ол тек едәуір сапалы зертханалық жағдай мен манипуляция қолдану арқылы өсімдік ағзасының екі бөлікке бөліну дәстүрлі әдісі болып табылады. Көбінесе жас өсімдік өсіп шығатын ең аз дегенде бір бүршігі бар жас өркендер (сабақтар) қолданылады. Бұл әдісті нақты қарастырмаймыз. Себебі ол тарихтан бұрынғы заманда адамдар қолданған технологиямен салыстырғанда жетілдірілген болса да, едәуір ескірген әдіс болып табылады.
Каллус алу. Бұл – өсімдікті клондаудың жиі қолданылатын әдістерінің бірі. Ол үшін, мысалы, өсетін «көзшелері» бар картоп түйнегін алады. Осы ұрық өркенін бөліп алып, оның стерилизациясын жүргізеді. Стерильділік – өсімдікті клондау кезінде міндетті түрде сақталатын маңызды жағдайдың бірі. Ол үшін спирт, құрамында хлор бар препараттар, сілтілер және басқа зарарсыздандыратын заттар қолданылады.
Қазір клондау үдерісі үшін жасушалар алынатын өсімдік бөліктерін зарарсыздандыру әдістері жасалған. Практикада ұрық жасушалары алынатын тұқымдар да қолданылады. Бұл клондау түсінігінің классикалық анықтамасына толық сәйкес келмесе де, ол ғалымдарға ең жақсы сорттарды алу үшін өсімдіктің генеративті мүшесінің жасушаларын да, олардың ұрықтарын да қолдануға кедергі жасамайды.
37-сурет. Өсімдіктерді клондау
I – сәбіз тамыржемісінің ұлпасынан өсімдіктерді клондау;
II – төбе бүршігінің вируссыз меристемалық жасушаларынан өсімдіктерді клондау;
а) жасуша материалын алу (стерильді жағдайда, басқа микроағзалардың түсуін қоспағанда);
ә) алынған жасушаларды қоректік ортаға (барлық қажетті дәрумендер, микроэлементтер, өсу стимуляторы) орналастыру;
б) жасуша массасының өсуі – каллус алу (жасуша массасы жеткілікті болғанда, ол фитогормондармен өңделеді);
в) каллустан тұтас өсімдік ағзасының «шығуы». Бұл – фитогормондар әсерінің және көбінесе белгілі бір температуралық режимді, жарық режимін, қоректік орта құрамының өзгеруін сақтау нәтижесі.
Өсімдіктерде II жасушалар вируссыз болады, ал I жасушаларда кепіл жоқ.
Стерильді өркеннен арнайы құрылғыда микроскоп қолдану арқылы арнайы микроинелермен қажет жасушаларды кеседі. Бұл өсу конусы деп аталатын оқшауланған төбе меристема жасушалары немесе ұрық жапырақтары арасындағы меристема жасушалары болуы мүмкін. Ғалымдар таңғажайып фактіні байқады: бүршік меристемасынан алынған жасушаларда вирус болмайды. Осындай жасушалардан алынған өсімдіктер де толық вируссыз болады. Клондаудың кезеңдері мен нұсқалары (37-суретте) көрсетілген.
Өсімдіктен алынған таңдалған жасушалар қоректік ортада, стерильді жағдайда өсіріледі. Бұл ортада барлық қажетті заттар мен микроэлементтер ғана емес, стимулдаушы фитогормондар да бар. Бұл өндірісте ауксин мен цитокинин маңызды фитогормон болып табылады. Мысалы, картоп үшін бірінші өсіру кезеңінде синтетикалық цитокинин қолданылады.
Фитогормондар бұл манипуляцияда үнемі қолданылады. Мысалы, «бүршікті көктету» шарасы үшін цитокинин мен ауксиннің әртүрлі арақатынастағы (қолданылған материалға байланысты 10:1, 100:1) қоспасы қолданылады. «Бүршікті көктету» дегеніміз не? Бұл зертхана жағдайында өсімдіктің кез келген мүшесін жапырақшалар, сабақшалар, өркендер және сәйкесінше уақыт өте келе тұтас өсімдік беруге бағыттайды. Эксперимент жүзінде бүршіктер мен өркендерді оқшауланған ұрықтан, сабақтан, жапырақтан, тамыр бөлігінен, кез келген пиязшық түбіртегінен немесе олардың қабыршақтарынан, тұқымжарнағынан, тіпті генеративті бүршік бітеугүліндегі ұрық гүлшоғырынан алуға болатыны дәлелденген.
Сонымен қатар жасуша себінділері өсірілетін жағдайлар да маңызды. Ол жерде тұрақты температура (көбінесе 25 градус, + – 2°С), ауа ылғалдылығы (70), тәулігіне 16 сағат жарық – 5 Лк – люкс сақталады. Әрине, бұл жағдайдың барлығы өсімдік түріне және соңғы мақсатқа байланысты әртүрлі жасуша себінділерінде біршама айырмашылық жасауы мүмкін. Бірақ бұл жағдайда картоп үшін қолданылатын өсіру жағдайларының көрсеткіштерін келтіреміз. Олар кеңінен таралған және жиі қолданылады.
Жасушаларды қоректік ортаға салған сәттен бастап, 5–6 жапырақшасы бар өскіннің пайда болуына дейін орташа 30–45 күн өтеді. Басында жасушалар жай ғана қоректік ортада көбейе бастайды. Каллус – дифференциацияланбаған жасушалар (жасуша ботқасы) тобы түзіледі. Каллус тек зертхана жағдайында ғана түзілмейді. Ол өсімдіктің зақымданған жерінде бітеліп кету үшін уақытша ұлпа ретінде түзіледі. Сынған бұтақтар, ірі, үлкен ағаштарда борпылдақ құрылымы ұнтақ ботқасына ұқсас, сұрлау түсті, пішінсіз масса түзілгенін көрген шығарсыңдар. Бұл – каллус.
Каллустан өркен шығатын жаңа бүршіктер түзіледі. Кейбір өсімдіктер үшін «бүршіктің шығу» үдерісі 8 айға дейін созылуы мүмкін. Кейбір түрлерде ешқашан каллустан түзілмейді, оларды белсенді заттармен (фитогормондармен не басқа заттармен) стимулдау қажет. Осындай ұзақ уақытта қоректік орта таусылатыны түсінікті. Сондықтан қажет кезде жасуша себінділерін жаңа қоректік ортаға орналастырады немесе ортаға жетпейтін заттарды енгізеді. Бұл кезде де стерильділік сақталады. Қоректік орта сұйық немесе агар-агар негізінде гельтәрізді болуы мүмкін.
Жасуша себінділері үшін тек меристемалық жасушалар қолданылады деп ойламау керек. Мысалы, сәбіз тамыржемісі жасушаларын клондаудың жақсы жасалған технологиясы бар. Сәбізді зарарсыздандырады, көлденеңінен кеседі, ірі бөліктерге бөледі, оларды қайтадан зарарсыздандырады, едәуір кіші сегменттерін кеседі де қоректік ортаға отырғызады. Барлық манипуляция стерильді жағдайда жүргізіледі.
Клондау нысаны, жасушалық инженерия, тотипотенттілік, каллус, микроқалемшелеу.
Білу және түсіну:
1. Өсімдіктерді клондау не үшін маңызды екенін түсіндіріңдер.
2. Өсімдіктерге қолданылатын клондаудың барлық түрін сипаттаңдар. Олардың қандай ерекшеліктері бар?
Қолдану:
1. Жасуша себінділері арқылы жасанды жасалған өсімдік клондарының вегетативті көбею жолымен табиғи клондаудан қандай ерекшеліктері бар? Салыстырыңдар.
2. Өсімдіктерді клондау кезінде ғалымдар не үшін генеративті және ұрық жасушаларын қолданатынын атаңдар.
Талдау:
1. Каллусты қолдану арқылы кез келген өсімдікті өсіру жағдайлары мен барлық кезеңдерін сызба түрінде сипаттаңдар.
2. Ғалымдар бүршік меристемасынан алынған жасушаларда вирустар болмайтынын және жасушаларында вирус бөлшектері жоқ өсімдік өсіп шығатынын анықтады. Бұл деректі талдап, қандай қорытынды жасауға болады?
Синтез:
1. Өсімдіктің кез келген жасушасын қоректік ортаға орналастырған кезде олар дербес ағза болып өсуге қабілетті, ал жануар жасушасында бұл үдеріс неліктен жүрмейтінін талқылаңдар.
2. Адамдар алғаш рет өсімдік ағзаларын клондауды жүзеге асырған кезде олқылықтарға жол берді ме? Талқылаңдар. Жауаптарыңды негіздеңдер.
Бағалау:
Өсімдіктерді клондауды қолданудың селекциялық, экономикалық және басқа салдарын төменде берілген мәлімет негізінде талқылаңдар және бағалаңдар.
Осылай бастапқы – «меристемалық» өсімдіктердің шектелген санынан бірнеше айдың ішінде (жарты жылдың ішінде – 30 000) көп мөлшерде вирусы жоқ отырғызылатын көшет алуға болады. Бұл кезде қалемшелеудің әрбір циклінде ол 4–5 есе өседі. Көптеген зерттеушілердің пікірі бойынша апикальды басымдылықты (доминирования) жою негізінде – төбе бүршігін алу нәтижесінде жанама бүршіктер (өркендер) қарқынды түзілетін көбею әдістері әртекті ұрпақ алу тұрғысынан аз тәуекел дәрежесіне ие. Мутантты формалардың пайда болу жиілігі (жаңа ағзалар санына есептегенде) бұл жерде өсімдіктер кәдімгі вегетативті әдіспен көбею кезіндегі пайда болу жиілігінен асып кетпейді.
Бұл әдіс практикада кеңінен қолданылады. Ол әмбебап болуымен және алынған нәтиженің (генетикалық тұрғыда біртекті ұрпақтар саны) салыстырмалы жоғары өнімділігімен ерекшеленеді.