Вторичный метаболизм высших растений и клеток вне организма

78-е Тимирязевское чтение, д.б.н., проф. А.М.Носов, ИФР РАН, Москва

По словам академика А.Т. Мокроносова, растения кардинально отличают от представителей других царств живых организмов только два процесса – фотосинтез и вторичный метаболизм..

К настоящему времени в высших растениях обнаружено около 100 000 вторичных метаболитов («веществ специализированного обмена растений») – относительно низкомолекулярных соединений, присутствие которых в растительных клетках в принципе не обязательно, и которые, как правило, являются  биологически-активными веществами (БАВ). В результате разноплановых исследований установлено, что образование вторичных метаболитов в растении – сложный, четко спланированный в пространстве и во времени процесс, в котором задействовано множество (несколько тысяч) ферментов и регуляторных белков.  Расшифровка  растительных геномов показала, что в процессах вторичного метаболизма задействовано от 15 до 25% от общего количества генов организма.  

Наиболее сложным и принципиально важным для физиологии растений является вопрос о роли вторичных метаболитов в жизнедеятельности растений. На протяжении столетней истории изучения веществ специализированного обмена обсуждались различные варианты – от полного отсутствия их функционального значения до главенствующей роли в защите растений от биотических стрессов. К настоящему времени превалирующей является точка зрения, что вторичные метаболиты – это своеобразные «биохимические инструменты» с помощью которых растение, - организм, лишенный возможности активного перемещения в пространстве – решает большинство своих  «экологических» проблем – от привлечения опылителей до защиты от разнообразных стрессов. Однако строго доказать функции вторичных метаболитов достаточно сложно. Серьезным инструментом в изучении закономерностей вторичного метаболизма, механизмов его регулирования и функциональной значимости могут быть культуры клеток высших растений.

Российские ученые – прежде всего, член-корр. АН СССР Р.Г. Бутенко – стояли у истоков изучения биологии клеток высших растений вне организма. За полвека исследований  в созданном Р.Г. Бутенко Отделе биологии клетки и биотехнологии ИФР РАН было показано, что культура клеток высших растений представляет собой экспериментальную, не имеющую природных аналогов, биологическую систему– популяцию свободноживущих дедифференцированных растительных клеток . Эта система имеет свои законы развития и многие процессы в ней  значительно отличаются от таковых в интактном растении. В частности, вторичный метаболизм в клетках in vitro происходит в неспециализированных пролиферирующих клетках, тогда как в целом растении этот процесс осуществляется в определенных неделящихся клетках и может быть «распределен» по разным тканям и органом растения. Эти различия обуславливают  существенные изменения качественного и количественного состава веществ специализированного обмена в клетках вне организма. Целенаправленными воздействиями на клетки in vitro различными факторами (трофическими, гормональными, стрессовыми) можно регулировать их вторичный метаболизм, что является важнейшим преимуществом использования культур клеток для  изучения этого процесса.

Таким образом, сопоставление закономерностей образования вторичных метаболитов в двух различных биологических системах – в интактном растении и в популяции дедифференцированных клеток -  позволяет не только выяснить механизмы регулирования их образования, но  и определить функциональное значение для целого организма  и клеток in vitro.

Исследования  вторичного метаболизма  высших растений  и клеток in vitro имеют важное значение не только для фундаментальной науки,  но и для создания современных инновационных биотехнологий.  В настоящее время более половины всех лекарств, нутрицевтиков и косметических средств содержат вещества растительного происхождения, большинство из которых являются вторичными метаболитам. Для производства этих продуктов используется миллионы тонн дикорастущего  растительного сырья, что приводит к его дефициту и резкому сокращению ряда видов растений, вплоть до их полного исчезновения.  Биомасса культур клеток высших растений, выращенных в биореакторах промышленного объема, является высококачественным возобновляемым сырьем для получения целевых БАВ растительного происхождения. Однако исходя из специфики культур клеток как биологической системы, получение штамма-продуцента и создание подобной Нigh-Тech биотехнологии возможно только на базе детального исследования механизмов регулирования и управления вторичным метаболизмом в клетках in vitro.

Изложению и анализу вышеперечисленных фундаментальных и прикладных проблем, иллюстрированных конкретными примерами из работ Отдела биологии клетки и биотехнологии ИФР РАН, будут посвящены 78 Тимирязевские чтения.