Искусственные семена. Обзор очень интересной и перспективной сельскохозяйственной технологии
Приветствую, друзья! Продолжаю делиться историями из нашей лаборатории, которая занимается клонированием растений.
Если вы пропустили прошлые статьи, то очень рекомендую ознакомиться, чтобы быть в курсе того, чем мы занимаемся.
Некоторые наши растения. Венерина Мухоловка. Орхидея. Чубушник. Сортовой картофель.
Сегодня я хотел бы рассказать и объяснить, как работает технология создания искусственных семян. Пока она существует больше в теории, но я уверен, что у неё есть огромный потенциал. Возможно, именно вы сможете найти ей практическое применение.
Искусственное семя в оболочке
Для начала, как обычно, нам потребуется немного вспомнить школьный курс биологии.
Растения, в отличие от других царств живой природы, обладают способностью к неограниченному росту. У них имеется особый тип ткани — меристема, которая способна образовывать любые части растения (клетки стебля, листьев, побегов, корней и т. д.).
Меристема растения.
Меристема обычно располагается в почках, корнях и новых побегах растения.
Меристема под микроскопом.
Клетки меристемы очень хрупкие и быстро погибают вне растения. Но учёные нашли способ использовать их. Они осторожно, с помощью скальпеля и микроскопа, вырезают ткани меристемы и помещают их в специальную питательную среду.
Находясь в благоприятных условиях внутри желеобразной питательной среды, меристема даёт начало новому организму. Сначала клетки активно делятся, затем появляются первые побеги, корни и листочки.
Примерно так же развивается растение из обычного семени, за исключением, что наше растение будет генетически полностью идентично тому, с которого мы отобрали меристему.
Развитие растение из меристемы.
Но и этим процессом можно манипулировать. В природе растения регулируют своё развитие и рост с помощью фитогормонов. Одни гормоны стимулируют развитие листьев, другие побегов, третьи участвуют в созревании семян, плодов и т. д.
Если добавить эти гормоны в питательную среду, то меристема «забивает» на свою природную биологическую программу и начнёт образовывать те структуры, за образование которых отвечают те или иные растительные гормоны.
Меристема на питательной среде. При различных концентрациях растительных гормонов из неё образуются разные растительные структуры (корни, побеги, каллус и т. д.).
В итоге, манипулируя концентрациями гормонов и другими параметрами (температура, свет, влажность, состав питательной среды), мы можем заставить меристему образовывать большое количество недифференцированных клеток. Эта структура ещё называется каллусом.
Каллусные клетки обыкновенного табака (Nicotiana tabacum) на поверхности питательной среды в чашке Петри.
В лабораторных условиях из каллуса можно получить неограниченное количество растений. Для этого каллус разрезают на части и обрабатывают клетки соответствующими гормонами.
Выращивание целого растений из каллуса.
Кстати, в природе каллус может образовываться на раненой поверхности растений. Каллусная ткань способствует зарастанию ран, срастанию прививок и служит для восстановления (регенерации) утраченных органов.
Каллусы на раненых поверхностях растения.
Это свойство очень крутое, только представьте, у нас есть возможность бесконечно размножать нужное нам растение. Однако применять это в сельском хозяйстве пока невозможно.
К сожалению, если просто посадить кусочки каллуса в землю, то новое растение на этом месте не вырастет. Его клетки очень слабые и быстро уничтожаются почвенной микрофлорой.
Естественные семена, поражённые почвенным грибком (плесенью).
Искусственные семена
Закономерным этапом развития данной технологии стала идея создания искусственных семян. Если клетки меристемы способны образовывать любые ткани и органы растения, то, значит, нужно заставить их образовывать зародыши, из которых смогут развиваться полноценные растения, а затем поместить их в защитную оболочку, чтобы противостоять агрессивной почвенной микрофлоре на ранних этапах развития растения.
Получается, у нас есть план (надёжный, как швейцарские часы), как можно сделать искусственные семена.
Отбираем меристему с нужного нам растения. Это может быть редкий вид, особо урожайный куст конопли, картофеля или просто дорогой сердцу вашей мамы фикус.
В лабораторных условиях или с помощью биореактора увеличиваем биомассу меристемы, создаём каллусную ткань.
Обрабатываем каллус фитогормонами, чтобы получить зародыши.
Вводим зародыши в состояние покоя (охлаждение, сушка, гормоны)
Помещаем зародыши в искусственную оболочку.
Упаковываем и храним семена в холодильнике до момента высадки.
Высаживаем искусственные семена в землю и получаем из них растения, которые генетически будут абсолютно идентичны тому, с которого мы отобрали меристему для их производства. Сортовые и индивидуальные признаки сохранятся.
Профит?
Искусственное семечко моркови с меристемным зародышем в желатиновой оболочке.
Поздравляю, теперь вы находитесь на переднем крае современной науки. К сожалению, практическая реализация этого проекта оказалась невероятно трудной. Естественные семена — это продукт эволюции, у природы были миллионы лет, чтобы отточить их свойства и жизнеспособность до совершенства. Человек пока не достиг такого уровня биологического инжениринга.
Основные проблемы: неоднородность эмбрионов, низкая жизнеспособность, маленький срок годности семян, низкий процент всхожести (менее 10%), соматические мутации из-за применения растительных гормонов, плохо растворимые оболочки.
Развитие растений из искусственных семян в лабораторных условиях.
Однако учёные не опускают руки и стараются совершенствовать данную технологию. Ведутся поиски более совершенных материалов для оболочки, а также методы введения зародышей в состояние покоя, подобное тому, в котором пребывают их естественные собратья.
Успешная реализация данной технологии открывает огромные перспективы в сельском хозяйстве, и, возможно, именно у вас получится предложить по-настоящему прорывную идею, войти в историю науки и заработать миллионы долларов на патентах.
Процесс изготовления синтетических семян в лабораторных условиях.
Спасибо, друзья, больше материалов про биологию и микромир Вы можете найти в моём профиле. Подписывайтесь на канал и до скорых встреч.