Cтрес-стійкість експериментальних форм тютюну, отриманих методом клітинної селекції із використанням катіонів барію (Вa2+) і кадмію (Cd2+)
Authors: Bronnikova L. I. 
Published: January 2025

Взаємодія генотип/довкілля (G/E) впродовж онтогенезу формує характер реалізації генетичної програми рослини і визначає її кінцевий результат. Всі ділянки метаболізму об'єднуються прямими і перехресними зв'язками і проявляються через диференційну експресію генів у формі динамічних фенотипових реакцій/проявів/змін у компартментах організму. За нормальних умов організм підтримує свій гомеостаз, з максимальною ефективністю засвоює трофічні та енергетичні ресурси довкілля. Погіршення зовнішніх факторів може викликати порушення, навіть розриви між системами організму, клітинами, тканинами. Система зазнає стресу. Серед абіотичних стресів найбільш шкодочинним уважається осмотичний стрес, різновидами якого є засолення та водний дефіцит. За останній час осмотичний стрес суттєво збіднює природні екологічні системи. Зникає та незворотньо втрачається значна кількість природних генотипів. Знижується врожайність сільськогосподарських культур, погіршується якість інтегрального продукту. Виникає потреба в якісно нових формах рослин, стійких до стресів. Оскільки стрес-стійкість є полігенною характеристикою, то нові стійкі рослинні форми мають відзначатись комплексною стійкістю до ряду стресових чинників. Складність проблеми передбачає розробку біологічних технологій нового порядку, які поєднали б традиційні опрацьовані методології із новими креативними ідеями. Пропонується застосування методу клітинної селекції з іонами важких металів (ІВМ) для отримання рослин із підвищеним рівнем стійкості до сольового та водного стресів. Метод клітинної селекції відзначається рядом особливостей. Цей метод у своїй основі забезпечує відбір генетично змінених клітинних варіантів у масиві клітин дикого типу. Оскільки селекція здійснюється на рівні клітин, то в експерименті піддаються моніторингу тисячі об'єктів інтересу. Клітинна селекція – це методологія invitro. Цей позитивний фактор дає можливість одночасного строгого контролю над факторостатними умовами із широкою варіабельністю селективних агентів. Важливою складовою клітинної селекції є екологічна безпека. Для отримання форм із підвищеним рівнем стійкості до осмотичних стресів було використано метод клітинної селекції із летальними дозами катіонів Ba2+ i Сd2+. Катіони барію (Ba2+) були задіяні для отримання рослинних форм із підвищеним рівнем солестійкості. Раніше було встановлено, що головною патологічною ознакою засолення є незворотна втрата фізіологічно актуальних іонів К+. Також було показано, що Ba2+ втручається в переміщення іонів К+ як всередині клітини, так і назовні. У зв'язку з цим було зроблено припущення, що стійкість до Ba2+ може поєднуватись із стійкістю до засолення. Різновидом осмотичного стресу є водний дефіцит. За умов зневоднення відбувається патологічна дегідратація протеїнів із повною втратою їхніх функцій. Попередженню ушкоджень сприяє клас білків дегідринів. До їхньої групи належать білки пізньої стадії ембріогенезу (LEA). З іншого боку, було встановлено, що катіони Cd2+ негативно впливають на LEA. Запропоновано гіпотезу, що стійкість до Cd2+ може координуватись із стійкістю до зневоднення. Для підтвердження гіпотези були створені селективні системи із летальними дозами йонів Ba2+ i Сd2+. На таких селективних середовищах отримані стійкі до ІВМ клітинні лінії тютюну. Після ряду пасажувань Ва-стійкі клітинні варіанти переносили на летальне для клітинних культур дикого типу засолення, створене додаванням солей морської води. Cd2+-стійкі клітинні лінії пересаджували на середовище, яке містило летальні дози маніту. У подальшому відібрані стійкі варіанти вирощували паралельно на середовищах з відповідними ІВМ та за умов осмотичних стресів. Експериментальні форми відзначались комплексною стійкістю до всіх стресових агентів. Після підтвердження явища комплексної стійкості із стійких клонів були регенеровані рослини, а також отримані насіннєві покоління. Генетичний характер осмостійкості перевіряли за дії летальних осмотичних стресів invitro. Дослідження фундаментальної проблеми стрес-стійкості обов'язково спирається на вивченні різних детермінант стійкості-генетичних, біохімічних, фізіологічних. Уже відомі маркери, котрі гарантовано вказують на зміни в протеомах, метаболомах, асоційовані із явищем стійкості. Одним із характерних проявів реакцій стійкості є зміни рівня вільного L-проліну  залежно від умов вирощування. Так, при вирощуванні клітинних культур і регенерованих рослин за умов прямої дії засолення або водного стресу в стійких формах зростав рівень вільного L-проліну. Якщо стресові умови замінювали на нормальні, то цей параметр знижувався. Рівень вільного проліну – це динамічний показник. Його динамічні коливання вказують на активний метаболізм. Активні флуктуації рівня амінокислоти вказують на активну життєдіяльність експериментальних форм як на клітинному рівні, так і на рівні рослини. Порівняння із вихідними формами продемонструвало суттєві відмінності. Паралельні дослідження стійких варіантів на різних рівнях організації (клітинна культура vs рослина) дадуть наразі інформацію про координацію різних ланок метаболізму/комунікації як у межах клітини, так між органами багатоклітинного організму. Таким чином, клітинна селекція із залученням ІВМ може бути адекватним методом відбору рослинних форм із підвищеним рівнем стійкості до осмотичних стресів.  Система стійка клітинна лінія – стійка рослина проявляється у всіх складових системи і підтримується реалізацією прямих і перехресних зв'язків на всіх рівнях організації рослинного організму. Стійкість системи за стресових умов підтримується як за умов постійного стресового навантаження, так і у випадку змін зовнішнього фону. Маркером стійкості покращеної рослинної форми найбільш виразними є динамічні показники, такі як пролін. Розвиток одноклітинної популяції (стійка клітинна культура) та багатоклітинного організму за стресових умов є результатом диференційної експресії генів.