Мир растений определяет благополучие человечества. Известно, что 1,9 миллиарда тонн (99 %) потребляемого человечеством сухого вещества приходится на растения. Они широко используются в пищевой, сельскохозяйственной, строительной, текстильной, бумажной и энергетической промышленности. Особый интерес представляет получение различных химических соединений, биологически активных веществ (БАВ) из растений, которые используются для производства лекарственных препаратов (фитопрепаратов), химикатов для сельского хозяйства и др.
Значительный прирост урожайности в 20 веке был достигнут благодаря химизации, механизации и мелиорации сельского хозяйства, что привело к загрязнению окружающей среды, истощению энергетических ресурсов, увеличению затрат на единицу продукции. Мы должны также заключить, что повышение урожайности этими методами в большинстве случаев достигло своего предела. Поэтому необходимо искать новые подходы.
Наиболее перспективным в этом смысле является использование клеточной инженерии (биотехнологии клеток и тканей). Клеточная инженерия основана на использовании принципиально нового метода — метода изолированной культуры клеток эукариотических организмов (растений, животных). Культивирование изолированных клеток и тканей на искусственных средах (in vitro).
(в пробирке)
в стерильных условиях его называют методом культуры изолированных тканей.
Многочисленные факты и специально поставленные эксперименты показывают, что в процессе индивидуального развития и специализации растительных клеток содержащаяся в них генетическая информация не редуцируется. Все гены, как правило, консервативны, и при соответствующих благоприятных условиях из любой соматической клетки растения может развиться весь организм. Это явление называется тотипотентностью. Отличие клеток растений от клеток высших животных, для которых невозможна способность к регенерации всего организма, заключается в тотипотентности.
Все клетки паренхимы растений, какой бы тканью они ни были, содержат полный набор генов, как и зигота. Но в любой ткани активны только некоторые гены, участвующие в дифференциации данного типа клеток. Одни гены функционируют во всех клетках организма (например, гены, контролирующие дыхание, проницаемость мембран, синтез АТФ), другие — только в определенных клетках. Каждая специализированная клетка имеет свой набор активных генов. Чем более специализирована клетка, тем меньше в ней активных генов. Разные гены функционируют не только в разных клетках, но и в разное время и на разных стадиях индивидуального развития. Набор активных генов постоянно меняется в одних и тех же клетках одной и той же ткани на разных стадиях развития организма. Одни гены включаются при синтезе иРНК определенных белков, другие выключаются из этой работы.
Дифференцировкой по морфологии и функциям называют дифференцировку типов клеток, тканей и органов, образующихся в процессе развития из однородных клеток зародыша и различающихся по своей морфологии и функциям. Дифференциация тканей основана на различиях в активности генов. Центральной проблемой онтогенетики является анализ действия генов в формировании признака и установлении промежуточных звеньев в цепи «ген — признак».
В специализированных клетках активен ограниченный набор генов, тогда как большинство из них репрессировано. Но ДНК и гены одинаковы во всех растительных клетках, поэтому их активность должна определяться каким-то другим механизмом, активация которого не связана с действием генов. Такими механизмами активации генов являются различия в структуре цитоплазмы, тканевой индукции и гормонов. Ооцит созревает под контролем генов, определяющих дифференцировку участков цитоплазмы, что приводит к неравномерности продуктов первых делений, а при дальнейшем размножении клеток — к тканевой дифференцировке. Затем вступает эмбриональная индукция: влияние одних тканей зародыша на другие. Этот эффект выражается в активации новых генов. Предполагается, что клетки ранее сформированной ткани выделяют вещества, способные активировать гены, необходимые для дифференцировки другой ткани, т.е.
Индукция тканей.
Гормональная регуляция это
является наиболее изученным механизмом активации генов. Гормоны могут воздействовать на гены напрямую или вызывать появление в цитоплазме определенных специфических веществ, которые затем воздействуют на гены. Попадая в клетку, гормоны воздействуют на комплекс гистон-ДНК и активируют отдельные локусы.
Они играют особую роль в дифференцировке тканей.
гены гомеобокса
гены, группы которых содержат сходные элементы — гомеобоксы. Они являются адресом для гормональных регуляторов, принимающих решения об одновременной активации или репрессии всего семейства генов. У растений гомеобоксные гены были обнаружены в 1980. Было показано, что они контролируют порядок появления и специализации метамеров.
Таким образом, растительная клетка представляет собой сложнейшую единицу, состоящую из различных микроскопических и субмикроскопических структур, обладающих высокой динамичностью, способной к изменению структуры под влиянием условий существования.
Растения являются продуцентами многих БАВ – соединений, способных влиять на биологические процессы в организме. К таким соединениям относятся сердечные гликозиды, сапонины, стеролы, каротиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны, а также вещества со специфическим запахом, вкусом и цветом.
Биологически активные вещества относятся к продуктам вторичного метаболизма, которые называются вторичными метаболитами или вторичными продуктами биосинтеза. В настоящее время известно более 100 000 вторичных метаболитов, продуцируемых растениями. Многие из них используются в фармакологической, косметической и пищевой промышленности и считаются экономически важными продуктами.
Лекарственные растения по-прежнему вносят значительный вклад в фармацевтическую промышленность, составляя около 25% наиболее важных лекарств.
Наркотики и стимуляторы находятся рядом с фармацевтическими препаратами. Наркотики являются промежуточным звеном между ядами и наркотиками. Они часто используются в качестве эффективных наркотиков (например, морфин) в небольших количествах. Наркотики могут привести к зависимости или смерти в высоких концентрациях или при длительном употреблении. Наркотики составляют основную группу запрещенных натуральных продуктов. Самая известная из них — марихуана (или гашиш) — добывается из
конопля,
Опиум и героин — от
Мак снотворный,
кокаин — от
Эритроксилон.
Табак также относится к этой группе, так как содержит никотин.
Стимуляторы не являются наркотиками и, как правило, не вредны. Кофеин и родственный теобромин чаще всего используются в виде напитков. Кофеин содержится во многих растениях, наиболее известными из которых являются .
чайный куст
(чай) я
Кофе арабика
(кофе).
Яды, вероятно, являются крайним средством. Нейротоксичные растительные яды до сих пор используются охотниками в Африке и Южной Америке, например яд кураре. Многие растительные яды очень нейротоксичны, например, рицин из обыкновенного касторового масла.
Помимо открытия регуляторов роста растений, наиболее значительным событием стало открытие пиретринов. Пиретрин, выделенный из цветов
Хризантема цинерариафолиум
они мощные
инсектициды
(уничтожение насекомых). Синтетические пиретрины конкурируют с природными пиретринами, но использование последних приводит к устойчивости к насекомым и кумулятивной токсичности.
«Тонкие химикаты — это вещества, используемые в качестве добавок при производстве парфюмерии, а также ароматизаторов и красителей в пищевых продуктах. Тонкие химикаты варьируются от очень дорогих, производимых в небольших количествах, до дешевых препаратов, выпускаемых десятками тысяч тонн. Например, в США 1 кг жасминовой эссенции стоит 6000 долларов и производится в количестве всего 20-30 кг в год. 1 кг масла какао (основной ингредиент шоколада) стоит 4 доллара и производится в объеме 20000 тонн в год. год.
«Тонкие химикаты» варьируются от простых соединений, таких как хинин, до сложных смесей, таких как эфирные масла. Последние представляют собой типичные монотерпены, часто летучие соединения, являющиеся основой производства ароматических соединений для производств, создающих ценные и высокоценные продукты.
Стоит отметить растущий интерес к растительному миру как к источнику химических соединений.Разработка нового синтетического лекарства стоит около 100 миллионов долларов и занимает 10 лет, поэтому возобновившийся интерес к растениям как к «фабрикам» по их синтезу легко понять.
