Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ассоциативные взаимодействия клеток женьшеня Panax Ginseng и цианобактерии Chlorogloea Fritschii

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Лобакова, Елена Сергеевна

Введение.

Литературный обзор.

Глава. I. Природные растительные ассоциации.

I.I. Краткая характеристика растительных ассоциаций.

1.1.1.Высшие растения-бактерии.

1.1.2.Высшие растения - цианобактерии. II

1.1.3. Высшие растения -актиномицеты. II

1.1.4. Высшие растения - грибы. II

1.1.5. Водоросли' " - грибы.

1.1.6. Водоросли - бактерии, цианобактерии.

1.2. Природные симбиотические ассоциации циано-бактерий.

1.2.1. Распространение симбиотических циано-бактерий в природе.

1.2.2. Характер зависимости партнеров в природных ассоциациях.

1.2.3. Типы природных симбиотических ассоциаций цианобактерий.

1.2.4. Характер метаболических связей цианобактерий с партнерами в симбиотических ассоциациях.

1.3. Искусственные симбиотические системы с использованием культивируемых клеток.рзсте-ний.

1.3.1. Свойства растительных клеток,определяющие их выбор при создании модельных ассоциаций.

1.3.2. Свойства цианобактерий,определяющие их выбор при создании искусственных ассоциаций.

1.3.3. Свойства цианобактерий и культивируемых клеток,затрудняющие возможность их ассоциированного роста.

Моделирование ассоциаций на основе культур растительных клеток и цианобактерий.

Экспериментальная часть.

Глава П. Объекты и методы исследований.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Методы исследований.

Результаты исследований

Глава Ш. Получение и характеристика смешанной культуры

3.1. Получение ассоциативной культуры клеток женьшеня и цивнобактерли С.fritschii

3.2. Клеточные взаимодействия и структурная организация клеток женьшеня С. fritschii в ассоциации.

Глава 1У. Динамика изменений ■' физико-химических характеристик среды при формировании и субкультивировании ассоциации.

4.1. Рост монокультур.

4.2. Формирование ассоциации.

4.3. Субкультивирование ассоциации.

Глава У. Оптимизация условий культивирования ассоциации

5.1. Рост цианобактерии на модифицированных средах

5.2. Влияние ионов натрия калия,аммония и использования их сочетаний для оптимизации роста ассоциации.

5.3. Влияние интенсивности освещения на рост монокультуры С. fritschii и ассоциации.

Глава У1. Образование биологически активных веществ клетками женьшеня в ассоциации с цизнобактери;ей и влияние их на метаболизм цианобактерии.

Глава УП. Ультра структура клеток женьшеня.

7.1. Ультраструктура клеток женьшеня в монокультуре.

7.2. Ультра с тру к тура клеток женьшеня в ассоциации

Глава УШ. Использование клетками женьшеня продуктов,,, фотосинтеза цианобактерии С. fritschii ИЗ

Глава IX. Ультраструктура цианобактерии С. fritschii. Ц

9.1. Ультраструктура цианобактерии С. fritschii в фототегеротрофных условиях роста ассоциации

9.2. Ультраструктда С. fritschii в хемоте-теротрофной ассоциации.

Обсуждение результатов.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Ассоциативные взаимодействия клеток женьшеня Panax Ginseng и цианобактерии Chlorogloea Fritschii"

Стремительный рост народонаселения во второй половине 20 века, с одной сторон^, и быстрое истощение пищевых ресурсов, с другой стороны, требуют всестороннего развития и применения биотехнологии в промышленности и сельском хозяйстве.

На основе культивируемых клеток растений возможно создание: I) практически важных технологий по получению клеточных биомасс и биологически активных веществ, продуцируемых только растениями, 2) биотехнологий в сельском хозяйстве, основанных на использовании морфогенетических потенций культур клеток и тканей для клонального микроразмноженйя культурных растений и оздоровления посадочного материала, а также улучшения растений при использовании в генетико-селекционной работе клеток и изолированных протопластов.

Культивируемые клетки in vitro сохраняют способность к специфическим биосинтезам, свойственным целому растению. Это создает перспективы промышленного получения на их основе важных в промышленном отношении веществ (Слепян и др., 1968). Сохранение природных ресурсов редких, экзотических и фармакологически важных видов растений, таких, как, например, женьшень, радиола розовая, диоскорея и т.д. (Грушвицкий, 1978 ), становится возможным благодаря сохранению их тканей в условиях глубокого замораживания с реализацией затем их способности к морфогенезу (Бутенко, Попов, 1982).

Одним из путей изменения и улучшения свойств популяций растительных клеток in vitro или целых растений может состоять в создании различного рода ассоциаций культивируемых клеток с микроорганизмами, обладающими полезными свойствами

С B-urgoon, Bottino, 1976', Gamborg, Bottino, 1981;

Gusev et al., 1984).

Введение в культуры гетеротрофных клеток растений фото-трофного компонента предполагает использование растительными клетками продуктов фотосинтеза другого симбионта. Кроме того, микроорганизмы могут синтезировать вещества-предшественники биологически активных соединений, продуцируемых растительными клетками. Использование растительными клетками метаболитов микроорганизмов в смешанной ассоциативной культуре может являться фактором повышения их продуктивности при промышленном выращивании.

Изучение природных сообществ растений с микроорганизмами показывает перспективность использования в качестве партнера в модельных ассоциациях азотфиксирующих бактерий и сине-зеленых водорослей, которые в последнее время в силу ряда их особенностей стали называть цианобактериями (stanier et al.,1971 ) .

Широкие приспособительные возможности, способность переключаться с фототрофного на гетеротрофный путь метаболизма, осуществлять фиксацию молекулярного азота и углекислоты в сочетании с выделением в окружающую среду большого количества органических веществ различных химических классов делает циано-бактерии интересным объектом как для фундаментальных исследований, так и практического использования. Цианобактерии играют заметную положительную роль в экосистемах, в частности как фототрофные азотфиксаторы, обогащающие почвы и водоемы органическим веществом и азотом. Однако периодические вспышки их маесового развития в пресноводных водоемах, так называемое "цветение воды", приносит огромный экономический ущерб.

Исследование поведения цианобактерии в искусственных ассоциациях имеет и самостоятельное значение для моделирования природных симбиозов, в которых цианобактерии выполняют роль фотосинтезирующего или азотфиксирующего компонента ( Stewart et al.,1983 ). Симбиоз папоротника Azolla и цианобактерии Anabaena azolla позволяет использовать эти .организмы как источник азота при возделывании риса (Peters, Mayпе, 1974 ; Peters ,1977 ; Нгуен Хыу Тхок,1984 ).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось создание и изучение ассоциации межклеточного типа между культурой клеток женьшеня-продуцента биологически активных веществ и факультативно фототрофной цианобэктерией Chlorogloea fritschii В задачи наших исследований входило: I) подбор условий экспериментального получения ассоциированного роста суспензионной культуры женьшеня и цианобактерии; 2) изучение их взаимного влияния на рост и метаболические функции в ассоциации; 3) исследование ультраструктурной организации и характера клеточных взаимодействий партнеров в ассоциированной культуре.

Научная новизна. Получена новая искусственная ассоциация клеток женьшеня и факультативно фототрофной циэнобактерии С. fritschii , культивируемая в темноте и на свету. На основании анализа метаболических и клеточных взаимодействий партнеров установлен симбиотический характер ассоциации. Обнаружена биосинтетическая активность ассоциированных с цианобактерией клеток женьшеня, сравнимая с таковой в чистой культуре. Установлено потребление клетками женьшеня продуктов фотосинтеза цианобактерий и их рост за счет экзометаболитов цианобактерии.

Практическая значимость работы» Подобранные условия культивирования ассоциации на свету при дефиците экзогенного источника углерода при сохранении биосинтетической активности клеток женьшеня в ассоциации могут быть использованы для разработки более рентабельных технологий получения клеточной биомассы женьшеня.

Разработанные принципы получения ассоциации позволяют прогнозировать совместимость партнеров при создании ассоциаций межклеточного типа и определять подбор партнеров при получении ассоциаций внутриклеточного типа на основе изолированных протопластов. Полученная система может быть использована в качестве модели для изучения природных ассоциаций высших растений с цианобактериями на клеточном уровне.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на I школе по проблемам геронтологии (Сочи, 1981), заседании кафедры физиологии растений Биологического факультета МГУ, на конференциях (XIII и Х1У) молодых ученых Биологического ф-та ( 1982, 1983 г.г.), I Всесоюзном совещании молодых ученых по физиологии растительной кл^и (Москва, 1983), а так же 1У Всесоюзной конференции "культура клеток растений и биотехнологии" (Кишинев,1983 ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, 2 находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация (^стр.,табл.,

14- рис,) состоит из введения, обзора литературы, методов исследования,результатов и обсуждения, выводов,списка цитированной литературы и приложения. Список литературы содержит spo наименований} из них 106 зарубежных авторов.