На сегодняшний день из растений получают свыше 25 % фармацевтических препаратов. Они – сырье для тонкой химии, а также источник биохимических компонентов для косметических изделий и пищевых добавок. Биотехнология стремится повысить выход ценных продуктов растений, если нужно, специалисты изменяют их свойства, а также прививают им способность производить новые, не свойственные для них виды продуктов.
Благодаря новейшим открытиям молекулярной биологии и генетики и достижениям генной инженерии растения стали быстро вовлекать в сферу биотехнологии. Этому способствует ряд особенностей жизнедеятельности и размножения растений – способность к неограниченному вегетативному размножению, т.е. к регенерации полноценного растения из черенка, а в условиях биотехнологических систем – из небольшой группы клеток и даже из одной клетки. При культивировании в питательных средах растительные клетки способны в одних условиях неограниченно размножаться, быстро наращивать биомассу, в других – дифференцироваться, образовывать корешки, стебельки, листочки (формируя в пробирке миниатюрное растеньице), а затем переходить к цветению и плодоношению. Таким образом, весь свой биологический цикл растения могут осуществлять в неполевых, контролируемых условиях биотехнологических систем. Оказывая на развивающиеся в этих условиях растения физические, химические и иные воздействия, можно направленно улучшать культивируемые сорта, повышать их продуктивность, использовать растительные клетки в качестве продуцентов биологически активных веществ.
Молекулярная биология – отрасль биологии, исследующая проявление жизни на молекулярном уровне. Основное направление молекулярной биологии – выяснение роли биологии, важных молекул (белков, нуклеиновых кислот и др.) в росте и развитии организмов, хранении и передаче наследственной информации, превращении энергии в живых клетках и др. явлениях. Молекулярная биология непосредственно связана с биохимией, химией и биофизикой, а также с генетикой и микробиологией. Молекулярная биология сформировалась в середине XX в. и бурно развивается в наши дни.
Генетика – наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими.
Вегетативное размножение – размножение бесполым путем, в основе которого лежит способность растения к регенерации с помощью вегетативных органов. К естественным формам вегетативного размножения относятся почкование и фрагментация, к искусственным – черенкование и прививки.
Благодаря биотехнологии традиционные методы гибридизации растений (приведшие к «зеленой революции», т.е. кардинальному повышению урожайности) расширились и стали проводиться на клеточном уровне. С помощью новых методов клеточной инженерии теперь сливают друг с другом клетки разных растений и получают из них новые гибридные растения. Новые методы чрезвычайно расширили границы спектра скрещиваемых растений, куда вошли не скрещивающиеся в природе виды. Однако техническая возможность соединения клеток очень отдаленных видов растений не всегда означает преодоление их биологической несовместимости, поэтому не все гибриды могут сохраняться.
Гибридизация – скрещивание двух организмов, различающихся альтернативными признаками.
Поскольку растительные клетки окружены жесткими целлюлозными оболочками, для их слияния нужно предварительно растворить эту оболочку, сохранив находящуюся под ней нежную белково-липидную плазматическую мембрану. Клетки, лишенные целлюлозной оболочки, называют протопластами. Получают протопласты обработкой клеток смесью ферментов. Затем протопласты с обнажившейся плазматической мембраной сливают, получая гибридные клетки, несущие свойства обеих клеток-партнеров. Этим путем созданы межвидовые гибриды табака, картофеля, капусты с турнепсом. Протопласты используют также для переноса в них органоидов других клеток – митохондрий, хлоропластов, цитоплазмы.
Значительный прогресс в этой области произошел и благодаря искусственным ассоциациям растительных клеток с микроорганизмами, особенно с азотфиксирующими бактериями. Проблема придания растениям свойства азотфиксации имеет огромное народно-хозяйственное значение, поскольку производство азотных удобрений требует больших затрат, а их использование загрязняет среду. Уже получены положительные результаты благодаря искусственным ассоциациям азотфиксирующей бактерии Anaboena variabilis и табака.