Фактори, які впливають на вихід продуктів

В зв’язку з тим що рослинні клітини тотипотентні, то для того щоб змусити будь-яку клітину продукувати речовини властиві вихідній рослині достатньо створити відповідні умови культивування. Але цей підхід доречний для культур, отриманих із високопродуктивних рослин. Дослідження синтезу алкалоїдів у рослинах і культурах барвінку показали, що в цілому культури, отримані із високопродуктивних рослин мали тенденцію до синтезу більшої кількості алкалоїдів, ніж культури із малопродуктивних рослин. Подібні ж результати отримані і для Nicotiana tabacum – високопродуктивні культури отримували із високопродуктивних рослин. Ні разу не спостерігали, щоб калюс низькопродуктивної рослини давав більший вихід нікотину, ніж калюс високопродуктивної рослини. Тобто утворення нікотину детерміновано генотипом батьківської рослини. Ці дані свідчать, що для отримання високопродуктивних культур потрібно відбирати найпродуктивніші рослини. Але це не значить, що необхідно відбирати частину рослини найбільш збагачену цією сполукою, бо висока концентрація речовини у тканині може бути результатом направленого транспорту, а не продуктом синтезу, що тут локалізований. Збільшення синтезу вторинних речовин in vitro можна індукувати фізіологічними стимулами, тобто впливаючи на пускові механізми біосинтезу вторинних метаболітів. Як один із пускових механізмів біосинтезу вторинних речовин розглядають умови культивування.

Компоненти середовища

Найчастіше для культивування калюсної і суспензійної культур використовують середовище Мурасиге і Скуга (МС). Це середовище підтримує ріст більшості клітин рослин, а також оптимальне для індукції вторинних метаболітів у цих клітинах. В основному умови середовища, які обмежують швидкість поділу клітин, підтримують активний синтез вторинних метаболітів і їх накопичення в культурах клітин.

Найвпливовішим фактором живильного середовища є регулятори росту: змінюючи концентрації або складовий набір гормональних речовин, можна суттєво впливати на процеси синтезу. Наприклад, при заміні 2,4–Д на НОК у середовищі для вирощування суспензійної культури Morinda citrifolia отримали збільшення синтезу алколоїду антрахінону у 3 рази. Подібні результати отримані для тютюну: спостерігали синтез нікотину на середовищі з ІОК, але не з 2,4–Д у тій же концентрації. НОК, залежно від концентрації, мала стимулюючий або інгібуючий вплив на біосинтез нікотину в культурах клітин тютюну. Отже, 2,4-Д менше прийнятна для запуску вторинного метаболізму в культурах рослинних клітин, ніж ІОК.

У більшості випадків ауксини додають до середовища разом із цитокінінами. Цитокініни по різному впливають на накопичення вторинних метаболітів. У культурах клітин Scopolia maxima відносно висока концентрація кінетину (5·10^-5 М) викликає утворення алкалоїдів, тоді як в калюсних і суспензійних культурах N. tabacum кінетин в концентраціях вищих 5·10^-5 М повністю пригнічував утворення нікотину.

Важко оцінити спільну дію ауксинів і цитокінінів на утворення вторинних метаболітів, особливо у зв’язку з тим, що не має даних про відносний вміст цих регуляторів росту у клітинах, що культивуються. Вивчення впливу регуляторів росту на біосинтез стероїдів у культурах Solanum aviculare, показало, що ауксин у порівнянні з цитокініном сильніше впливає на вихід стероїдів і ріст біомаси навіть при додаванні цитокініну в різних концентраціях.

Мінеральні солі. Підвищення вмісту нітратів, калію, амонію і фосфату приводить до підтримки швидкого росту клітин, тоді як виснаження або відсутність деяких із цих живильних речовин стає фактором, який лімітує ріст і супутній вторинний синтез. Недостача фосфату у більшій мірі, ніж будь-яких інших живильних речовин, стимулює синтез вторинних метаболітів. Наприклад, біосинтез нікотину у культурах тютюну пов’язаний з виснаженням фосфату в живильному середовищі і зі зменшенням вмісту інших живильних речовин, таких як нітрат і сахароза.

На накопичення біомаси впливає вуглеводневе живлення. Для більшості культур використовують сахарозу у концентраціях 15-30 г/л. Використання підвищених концентрацій сахарози (3-5%) звичайно приводить до збільшення виходу вторинних метаболітів у культурах.

Попередники. Додавання у середовище попередників для підвищення виходу кінцевого продукту не набуло широкого використання. Основною перепоною для використання попередників є недостатнє вивчення шляхів біосинтезу багатьох речовин вторинного синтезу.

Оптимізація живильного середовища є ключовим фактором у підвищенні виходу продукту. Дослідження впливу живильних середовищ на вихід продукту привели до розробки так званих „продукційних середовищ”, із яких найбільш відоме середовище Ценка. Основна особливість продукційних середовищ – можливість створювати умови для низької швидкості росту при незначній або повній відсутності поділу клітин для підвищеного виходу продукту.