Фактори, що впливають на морфогенез in vitro

Індукуючий вплив можуть надавати різні фактори: гормони, продукти життєдіяльності сусідніх клітин, інших тканин, електрофізіологічні сигнали і т.д. Детермінація – придбання клітиною стану готовності до реалізації визначених спадкових властивостей.

Детермінація призводить до розвитку по визначеному шляху з одночасним обмеженням можливості розвитку в інших напрямках. Детермінація компетентної клітини може починатися відразу ж після поділу на початку росту протоплазми. Детермінована певним чином клітина набуває вузьку спеціалізацію, тобто диференціюється і перетворюється на клітину будь-якої тканини. З гормональних чинників у диференціації та морфогенезі першорядна роль відводиться ауксину і цитокіну.

По відношенню до органогенезу Скугом і Мурасіге була висунута концепція, згідно з якою можна отримати утворення стебел, коріння або недиференційоване зростання каллусу, змінюючи відносний вміст ауксинів і цитокінінів. У самому простому випадку (тютюн) індукція та утворення каллусу спостерігається при збалансованому відношенні ауксинів до цитокінінів, стеблові бруньки утворюються при підвищенні рівня цитокінінів по відношенню до ауксину, корені формуються при високому вмісті ауксинів в середовищі. У більшості випадків формування органів в культурі клітин можна пояснити гормональною теорією регуляції, але для деяких видів вона виявляється неспроможною. Одні й ті ж фізіологічно активні речовини регулюють і ділення клітин при недиференційованому зростанні каллусу, і клітинні поділи, пов'язані з диференціацією. Якщо диференціація включає зміни в експресії генів на рівні транскрипції, тоді повинні існувати й інші специфічні речовини, що визначають компетентність клітини до обробки екзогенними фітогормонами.

Є системи, що не реагують на гормональні обробки. Клітини цих тканин не здатні до диференціації, або, проліферації in vitro, не проявляють тотипотентності. Морфогенна здатність клону залежить від генотипу. Має значення і орган, від якого взято первинні експланти. Тканини одного і того ж органу мають різну здатність до морфогенезу. Наприклад, флоемна тканина кореня моркви дає початок коріням, а ксилемна – формує ембріоїди.

Для розуміння механізмів морфогенезу необхідно розглянути комплекс морфофізіологічних процесів, що протікають в каллусній тканині, так як ці процеси лежать в основі того, що з каллусу при певних умовах вирощування диференціюється рослина. У процесі культивування відзначено виникнення нових мікротрубочок в клітині in vitro, зміна її розмірів, активності рибосом, стану пластидних пігментів, запасних речовин. Роль мікротрубочок, мікрофіламентів та інших структур у клітинній взаємодії поки не з'ясована. Ці структурні утворення з'являються зазвичай при регенерації і якимось чином причетні до клітинного ділення, взаємодії між клітинами, структуро- і формоутворення. Змінюється також структура та активність апарату Гольджі, який виконує важливу функцію при клітинному поділі.

З'являються багатоядерні клітини, відзначається поліплоїдизація в результаті порушення мітозу. Характерне несинхронне проходження мітотичних циклів є однією з умов морфологічної гетерогенності клітин тканини. Важливо, що при вирощуванні in vitro спостерігається генетична гетерогенність клітин, поява мутантів з відмітними особливостями органогенезу. В основі лежать зміни стану хромосом у вигляді транслокацій, делеції, інші порушення пов'язані з поліплоїдизацією.

Клітина, введена в культуру, зазнає послідовних змін: перехід до дедиференційованого стану, ембріонального росту і, завдяки здатності каллусу до вторинної диференціації, формоутворення. Взаємодія між клітинами виступає як вирішальний чинник їх диференціації та спеціалізації. Процес диференціації клітин обумовлений різним ступенем репресії і дерепресії генетичної інформації.

Для індукції морфогенезу in vitro необхідно викликати неоднорідність в клітинних популяціях і тканинах. Будь-які дії, що призводять до збільшення неоднорідності в культурі клітин, в просторовому розподілі гормонів, будуть сприяти диференціації клітин і формоутворення в каллус. Доказом цього можуть також служити експерименти, проведені з каллусною тканиною пшениці і кукурудзи в космічних умовах. Ці експерименти були описані М. Карабаєвим (1994).

В умовах космічного польоту можна виділити 2 принципових стадії клітинної відповіді на екстремальні умови:

1. Ця стадія, або стадія адаптації, триває 10 – 12 днів і пов'язана з адаптацією культури до стресу. Вона супроводжується загальним зменшенням життєздатності клітин і втратою значного числа клітин. У цих умовах число життєздатних, стресостійкий клітин поступово зростає.

2. Ініціюється ділення і змінюється розподіл клітин в популяції, зменшується градієнт елементів поживного середовища, так само як і градієнт продуктів життєдіяльності клітин. Незалежно від тривалості космічного польоту, розвиток клітин і структур, відповідальних за клітинну диференціацію, ембріогенез і регенерацію рослин пригнічується космічними умовами. Основна причина цього може бути пов'язана зі специфічним розподілом клітин у клітинній популяції і слабкістю міжклітинних контактів під дією невагомості. Можна зробити висновок, що гравітація має велике значення для розвитку рослин, так як умови Землі сприяють більш тісній взаємодії гетерогенних спорадично зростаючих клітинних структур, а це згодом впливає на індукцію клітинної диференціації.