Созданный учеными Академии биологии и биотехнологий Д.И. Ивановского ЮФУ алгоритм математического моделирования позволит оптимально и точно подбирать нужные концентрации питательных сред для растений. Данную технологию можно будет применять для микроклонального размножения – эффективного способа сохранения генофонда угрожаемых растений.
На сегодняшний день одним из популярных и высокоэффективных методов сохранения генофонда редких и исчезающих видов растений является микроклональное размножение. Благодаря данному методу возможно не только сохранять исчезающие виды растений in vitro («в пробирке» — в искусственных условиях, вне организма или естественной среды), но и исследовать их генетические, физиологические, анатомо-морфологические аспекты биологии, осуществлять определение и выделение вторичных метаболитов, находящих применение в медицине, а также производить количество материала, достаточного для селекции или размножения растений-регенерантов с целью дальнейшей продажи.
На каждом этапе микроклонального размножения растению необходима соответствующая питательная среда. Однако ученые каждый раз ее подбирают вручную, исследуя множество разных вариаций концентраций для каждого растения, что замедляет и даже усложняет процесс микроклонирования. В связи с этим молодые исследователи Академии биологии и биотехнологий Д.И. Ивановского ЮФУ во главе с к.б.н., научным сотрудником Ботанического сада ЮФУ, руководителем молодежной лаборатории «Молекулярная биотехнология растений», запущенной в рамках программы «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»), Василием Чохели разработали алгоритм, который наиболее приемлем для подбора оптимальной питательной среды для микроклонального размножения растений.
«Несмотря на то что в мире существует бесчисленное множество видов математического моделирования и математического подбора питательных сред, мы разработали алгоритм, который, на наш взгляд, будет наиболее точен и удобен в использовании. Благодаря четкой схеме алгоритм поможет ученым минимизировать путаницы и позволит более оптимально подбирать концентрации и, соответственно, добиться лучших результатов экспериментов», – рассказал Василий Чохели.
В чем заключается суть: ученые берут несколько вариаций питательных сред, которые отличаются между собой по минеральному составу (макро- и микроэлементам), а также концентрацией органических веществ; наличию тех или иных фитогормонов: цитокинины или ауксины, в зависимости от того, что нужно получить в итоге, и их концентрации. Используя различные регуляторы роста и концентрации этих регуляторов, они анализируют все среды и оценивают три главных параметра: минеральное питание, регулятор роста и концентрация регулятора роста. Именно так и подбирается оптимальная среда для исследуемого растения.
«В начале, при исследовании влияния концентраций фитогормонов, используется шаг в 0,5 мг/л. Изначальная безгормональная питательная среда (0 мг/л) выступает в качестве контроля. Затем линейка питательных сред с концентрациями 0,5 мг/л, 1 мг/л, 1,5 мг/л, 2 мг/л. Затем после статистического анализа, когда становится известным наилучшее минеральное питание и наиболее подходящий регулятор роста и его концентрация, происходит приготовление новой «линейки» питательных сред, но «шаг концентраций» уменьшается до 0,1 мг/л. Так, например, было выявлено, что лучше всего подходит среда MS (Мурасиге и Скуга) и фитогормон метатополин в концентрации 1,5 мг/л. Мы ищем более точную концентрацию гормона, при которой растение будет давать наибольший коэффициент мультипликации. Поэтому готовим следующие концентрации: 1,3 мг/л; 1,4 мг/л; 1,6 мг/л, 1,7 мг/л. При желании и возможности исследователя можно дальше дробить шаг», – пояснил Василий Чохели.
В недавнем исследовании ученые уже протестировали новый алгоритм, изучив с помощью него эффект влияния разных фитогормонов на размножение Копеечника крупноцветкового (Hedysarum grandiflorum Pall.), Иссопа мелового (Hyssopus cretaceus Dubj.), Левкоя душистого (Matthiola fragrans Bunge). Было показано, что оптимальной минеральной основой для изучаемых видов является среда Гамборга (В5). В то время как большинство лабораторий работает с модификациями канонической питательной среды МС. Также было показано, что эффективной заменой синтетического гормона 6-БАП является фитогормон метатополин. Так, для Копеечника крупноцветкового оптимальная концентрация составляет 1мг/л, а для Иссопа мелового - 0,5 мг/л. Для Левкоя душистого оптимальная среда В5 с добавлением кинетина в концентрации 1 мг/л. По словам ученых, использование таких «мягких» (с низким мутагенным статусом) фитогормонов позволит эффективно сохранять редкие растения в культуре in vitro.
Результаты исследования, выполненного при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания в сфере научной деятельности № 0852-2020-0029, изложены в научном журнале «Horticulturae».
На фото - Лаборатория клеточных и геномных технологий растений
Источник информации и фото: пресс-служба ЮФУ
