Биология

Ученые вырастили древесину в пробирке

Ученые вырастили древесину в пробирке

Ashley L. Beckwith et al. / Journal of Cleaner Production, 2021

Американские ученые подобрали оптимальные условия для культивирования ex planta наиболее часто используемой в производстве растительной ткани — древесины, или ксилемы. Возможно, в будущем подобная технология избавит человечество от необходимости выращивать деревья на вырубку. Результаты экспериментов опубликованы в Journal of Cleaner Production.

Ксилема, или древесина, — проводящая ткань растений, ее основная функция — транспорт воды и растворенных в ней неорганических веществ. Кроме того, ксилема придает прочность растению за счет толстых клеточных стенок с лигнином, твердым природным полимером. Изделия из древесины часто называют экологичными из-за возобновляемости растительного ресурса. Однако площадь лесов постоянно сокращается: в период с 1990 по 2016 человечество потеряло около 1,3 миллионов квадратных километров лесов — это больше, чем три Забайкальских края.

За всю историю использования древесных материалов технология их заготовления не претерпевала значительных изменений: люди выращивают целые деревья, отделяют необходимые его части, а ненужное выбрасывают или сжигают. Такой подход выглядит не только нерациональным, но и более затратным, чем он мог бы быть: лишь часть выращенного растения действительно используется, а к временным расходам и расходам на землю, воду, удобрения и пестициды (в лесохозяйстве удобрения и пестициды тоже используются) добавляются стоимость транспортировки и переработки растений. Без принципиальных изменений процесса получения древесины сильно улучшить ситуацию вряд ли получится.

Тем временем растительные клетки демонстрируют впечатляющие способности развития ex planta: живые клетки могут давать начало практически любому типу растительной ткани или даже целому растению. Такое их свойство уже используется, например, в технологии микроклонального размножения растений, когда культивирование ex planta образца ткани материнского растения позволяет получить сотни и тысячи генетически одинаковых молодых ростков. Это помогает размножить даже те растения, культивирование которых другими способами — вегетативно или семенами — сильно затруднено.

Ученые из Массачусетского технологического института из группы Луиса Веласкес-Гарсии (Luis Velasquez-García) предложили применить похожую технику, но для выращивания отдельной растительной ткани, ксилемы (древесины). Они попробовали вырастить ex planta ксилему Циннии изящной (Zinnia elegans) и придать ей нужную форму.

Для начала исследователи провели ряд экспериментов, чтобы подобрать оптимальные условия культивирования. Рост клеток, увеличение их количества и доля трахеид — мертвых клеток древесины с жесткими оболочками — зависит от нескольких базовых параметров: концентрации растительных гормонов в питательном растворе, его кислотности и начальной концентрации клеток.

Среди растительных гормонов две больших группы соединений — ауксины и цитокинины — необходимы для развития проводящей ткани. Например, известно, что повышенная концентрация обоих ведет к формированию одеревеневших трахеид. Однако эффект от вариативного соотношения гормонов в питательной среде прежде не был описан. Авторы показали результат воздействия гормонов в разной концентрации, и пришли к выводу, что низкое содержание этих соединений приводит к увеличению клеток в объеме и их высокой выживаемости, но плохому их росту в длину. В то же время добавление половины миллиграмма на миллилитр альфа-нафтилуксусной кислоты (ауксин) и одного миллиграмма на миллилитр 6-бензиламинопурина (цитокинин) помогает существенно снизить долю живых клеток в ткани. При этом кислотность среды при высоких концентрациях гормонов почти не повлияла на образование жесткой клеточной оболочки. Также ученые отметили, что чем больше была изначальная плотность клеток в растворе, тем лучше клетки увеличивались в объеме и росли в длину.

Определив оптимальные параметры, исследователи перешли непосредственно к выращиванию ксилемы. Ученые вдохновлялись методами культивирования, которые описывал Людвиг Бергман (Ludwig Bergmann) еще в шестидесятых годах прошлого века: он предлагал закреплять отдельные растительные клетки в тонком слое питательного геля, чтобы наблюдать за их развитием и делением. Группа добавила свои наработки к его технике, что позволило использовать питательный гель не только для наблюдения, но и для управляемого культивирования растительного материала.

В целом, процесс выращивания древесины, описанный исследователями состоит из трех стадий. Сначала из молодых листьев растения получают клетки. Затем их переносят в жидкую среду для промежуточного культивирования, и в этой среде их можно хранить до наступления следующего этапа. Чтобы вырастить необходимую конструкцию, суспензию клеток смешивают с термочувствительным гелем в соотношении 1:3 по объему. Питательная смесь застывает при комнатной температуре с равномерно распределенными в ней единичными растительными клетками. Со временем, клетки растут и формируют единую ткань.

Процесс культивирования древесины ex planta: получение клеток, культивирование в жидкой среде и выращивание в геле

Ashley L. Beckwith et al. / Journal of Cleaner Production, 2021

Таким образом, исследователи выбирали состав питательного геля и регулировали его форму, чтобы получить растительную ткань с необходимыми характеристиками. Настройке поддались жесткость ткани, форма и размер клеток, а также форма конечного продукта. Ученые отмечают, что дальнейшие исследования других параметров, влияющих на рост тканей, таких как газовый обмен, межклеточная передача биологических сигналов, взаимодействие между загустителем и компонентами питательной среды, повысит возможности производства древесины ex planta. Они надеются, что подобная технология однажды найдет широкое применение.

Ученые также много экспериментируют с возможностями древесины как материала. Например, создают из древесины гибкий светящийся материал, делают ее прозрачной или придают свойство пассивно отводить тепло.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть