Протопласт — жизнеспособная клетка без клеточной стенки¶
Протопласт (от др.-греч. πρωτόπλαστος — «первично созданный») — живое содержимое растительной клетки, ограниченное плазматической мембраной, то есть вся клетка без клеточной стенки. Термин охватывает цитоплазму, ядро, органоиды и вакуоли, объединённые плазмалеммой, и противопоставляется растительной клетке целиком, включающей жёсткую оболочку из целлюлозы.
¶Происхождение термина
Понятие «протопласт» ввёл в ботаническую науку в 1851 году шотландский ботаник Гугo фон Мог (Hugo von Mohl), наблюдавший поведение содержимого клеток при plasmolysis. Он описал сокращающуюся при обезвоживании массу цитоплазмы с ядром как единое живое образование, отделённое от клеточной стенки. В 1892 году немецкий ботаник Эдуард Штрасбургер уточнил понятие, определив протопласт как систему органелл и цитоплазмы, ограниченную одной мембраной. В таком виде термин вошёл в клеточную биологию и до сих пор используется в курсах цитологии.
¶Строение протопласта
Протопласт включает следующие компоненты:
- Плазматическая мембрана (плазмалемма) — внешняя граница протопласта, полупроницаемая липидно-белковая оболочка толщиной около 7–10 нм. Осуществляет транспорт веществ и клеточное распознавание.
- Цитоплазма — гель-подобная среда, в которой расположены органоиды и включения. Содержит цитоскелет (микротрубочки, микрофиламенты), рибосомы, эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, митохондрии и пластиды.
- Ядро — отделено от цитоплазмы двойной ядерной оболочкой, содержит генетический материал в виде хроматина.
- Вакуоль — в зрелой растительной клетке занимает до 80–90 % объёма, ограничена тонопластом (специфической мембраной). Содержит клеточный сок, обеспечивает тургорное давление.
- Пластиды — хлоропласты (фотосинтез), хромопласты (пигменты), лейкопласты (запасные вещества). Характерны только для растительных клеток.
У прокариот (бактерий, цианобактерий) протопласт не образуется в строгом смысле: у них нет оформленного ядра и, как правило, нет жёсткой оболочки, отделяемой от мембраны. У животных клеток клеточной стенки нет изначально, поэтому термин «протопласт» к ним применяется редко — там говорят просто о клетке.
¶Получение протопластов
В лабораторной практике протопласты получают двумя основными способами:
- Механический — разрезание тканей с последующим отделением содержимого клеток. Даёт низкий выход и повреждает многие клетки, поэтому применяется редко.
- Ферментативный — обработка тканей ферментными препаратами, разрушающими клеточную стенку: целлюлазой, гемицеллюлазой и пектиназой (коммерческие препараты «Келзим», «Дризелла», «Онозука»). Основной метод, позволяющий получить тысячи и миллионы жизнеспособных протопластов из образца ткани.
После ферментативной обработки протопласты осмотически нестабильны и разрушаются в гипотонических растворах, поэтому их переводят в изотонические или гипертонические среды с осмотиками (манинит, сорбит, сахароза). Для визуализации и сортировки используют флуоресцентные краски (флуоресцеин диацетат, пропидий иодид).
¶Применение протопластов
Протопласты представляют большой интерес для биотехнологии и генетики растений:
- Соматическая гибридизация — слияние протопластов двух сортов или видов с образованием гибридной клетки (метод, разработанный в 1970-х годах Карлсбадской лабораторией в Чехословакии). Позволяет преодолевать межвидовые барьеры, недоступные при половой гибридизации. Известны примеры получения гибридов картофеля и томата (помидорат), цитрусовых.
- Генетическая трансформация — протопласты легче поддаются введению чужеродной ДНК (электропорация, ПЭГ-опосредованная трансформация, липосомы).
- Регенерация растений — из одиночных протопластов при правильном соотношении ауксинов и цитокининов можно вырастить целое растение (путь: протопласт → клеточная стенка → деление → эмбриоид → регенерант).
- Исследование мембранного транспорта, адгезии клеток и клеточного цикла.
¶Протопласт и плазмолиз
При помещении растительной клетки в гипертонический раствор вода выходит из вакуоли и цитоплазмы, протопласт сокращается и отходит от клеточной стенки — это явление эцитоплазма (отмирание протопласта от стенки). При обратном переносе в гипотоническую среду клетка может восстановить тургор (упругое состояние). Если повреждение мембран необратимо, наступает плазмолиз с потерей жизнеспособности. Наблюдение за плазмолизом — классический метод определения осмотического потенциала клетки.
¶Значение понятия
Понятие протопласта важно для понимания того, что растительная клетка — это по сути две структуры: живой протопласт и неживая оболочка, продукт его жизнедеятельности. Клеточная стенка не входит в состав протопласта, но определяет форму клетки и защищает её. Разграничение этих понятий позволило развить методы клеточной инженерии растений, ставшие основой современного растениеводческого биотехнологического инструментария.
¶Источники
- Мамалишвили С. С., Серов В. В. «Цитология растений». — М.: Издательство МГУ.
- Тафров Л. П. «Лабораторные работы по цитологии растений». — М.: Издательство МГУ.
- Штрасбургер Э. «Учение о клетке». — Л.: Биомедгиз.
- Glimelius B. «Protoplast technology». — In: Plant Cell and Tissue Culture. Springer.
- Волков В. А., Хомяков А. П. «Ботаника. Том 1: Клетка. Анатомия растений». — М.: Академия.