Закодировано в геноме. У ученых есть решение проблемы тополиного пуха

4 августа 2024 7 мин.

Почему оказались вместе совершенно разные культуры — лен и облепиха? И как в компанию к ним затесался тополь? Ответ знает лишь заведующий лабораторией Института молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта РАН, доцент МФТИ кандидат биологических наук Алексей Дмитриев (на снимке в центре) и его коллеги. Они разработали уникальные молекулярно-генетические подходы к управлению признаками самых разных растений.
— Наша лаборатория, оснащенная современным оборудованием, специализируется на высококачественной расшифровке последовательности ДНК, — рассказывает Алексей Александрович.
— Однако за лен, облепиху и тополь мы взялись по совершенно разным причинам. Хотя лен, между прочим, наш институт изучает не первый десяток лет. Возможно, потому, что Россия — один из крупнейших поставщиков на мировой рынок этой необыкновенно полезной культуры. Мы подружились с коллегами из единственного в своем роде Института льна в городе Торжок, чтобы понять, как ценные качества закодированы в геноме льна и что нужно для формирования того или иного свойства. Только зная это, можно эффективно создавать новые улучшенные сорта.
— Почему именно лен?
— Обычно лен знают по прекрасным тканям, а он, оказывается, в основном ценится за обладающие уникальным составом семена. Прежде всего богатые ненасыщенными жирными кислотами (омега-3, омега-6, омега-9) и лигнинами.
Семенами с различным содержанием этих ценных веществ интересуется полимерная, фармацевтическая и пищевая промышленность. И каждая в идеале хочет, чтобы они были еще более качественными, лучше отвечали запросам отрасли.
Отсюда главная наша цель: создать сорта с высочайшими заданными свойствами, удовлетворяющие многочисленных заказчиков.
— Легко сказать, но как этого добиться?
— Мы начали с академического подхода: изучили молекулярно-генетические механизмы формирования различных признаков. Определили конкретные гены, от которых они зависят. Понятно, что в одиночку это сделать невозможно, но помогли селекционеры из Торжка, в частности доктор биологических наук Татьяна Александровна Рожмина.
Скажем, нам порекомендовали сорт с низким содержанием омега-3. А наша цель — выяснить, почему в других омеги-3 много? Решить задачу можно путем скрещивания разных сортов.
— И вы обратились к опытам Мичурина?
— Верно. Но также расшифровали последовательность генома в растениях с низким и высоким содержанием этой кислоты, сравнили их, чтобы узнать, чем они различаются. В результате нашли мутации, приводящие к изменению жирно-кислотного состава льняного масла. Провели похожие исследования, касавшиеся других ценных признаков льна.
— Понятно, что на словах все получается легко и быстро…
— А на деле эта сложнейшая операция потребовала нескольких лет работы и весьма значительных финансовых затрат. Зато из огромных массивов, насчитывающих тысячи растений, мы научились отбирать наиболее перспективные, где нужные нам признаки проявляются особенно сильно, и понимаем теперь, как использовать эти знания в селекции.
Скажем, сорт хорошо растет в Тверской области и имеет высокое содержание омега-3. Для фармацевтики и производства полимеров это подходит, а для пищевой промышленности — нет. Мы берем сорт с высоким показателем омега-3 и скрещиваем с низким, полученным из других регионов. И с помощью молекулярных маркеров выделяем нужные растения для пищевой промышленности с низким содержанием омега-3, которые будут хорошо себя чувствовать в Тверской области.
— Когда вы начали эти исследования и к чему пришли?
— Лен мы исследуем около десяти лет. За это время отработали систему создания его сортов с высокими заданными свойствами. Но, увы, нет идеального, который подходил бы для любого региона, так как каждый обладает своими особыми климатическими условиями и почвами. Поэтому продолжаем исследования: ведь климат меняется буквально на глазах, появляются, в частности, новые патогены. Это необходимо учитывать — и работа по созданию новых сортов, по сути, непрерывная.
Главный наш результат не выведение определенного идеального сорта, а, как мы говорим, получение линий, обладающих высокими заданными свойствами и отвечающих требованиям и нашим, и заказчика.
Для этого нужно было провести бессчетное количество молекулярно-генетических исследований, всесторонние госсортоиспытания и довести сорта до промышленного использования. Один — для производства волокна — все эти этапы уже одолел.
На подходе несколько десятков линий, которые в ближайшие год-два планируем представить на госсортоиспытания. Ведь у нас есть мощный инструмент, с его помощью можно чуть ли не штамповать близкие к идеалу сорта. Их семена будем передавать специалистам института в Торжке для апробации в полевых условиях.
Отмечу, что аналогов нашего метода получения сортов льна за рубежом нет. Мировыми лидерами в этой области всегда считались Франция и Канада, но мы их догнали и перегнали. Сегодня вперед рвется Китай.
— Теперь, пожалуйста, про облепиху.
— С ней происходит практически то же самое, что и со льном. Наша страна занимает второе место в мире по выращиванию облепихи. А мировой лидер — Китай, там произрастает 95% этой культуры. Но в Поднебесной ее культивируют, как это ни удивительно, в основном в экологических и декоративных целях, а в России — для промышленной переработки.
Для нас это новая, неисследованная культура, мы занимаемся ей всего два года по инициативе… китайского ученого — специалиста в этой области. Он ознакомился и заинтересовался нашими работами — и предложил объединить усилия в изучении жирных кислот облепихи.
По рекомендации коллеги обратились к живущему на Алтае всемирно известному специалисту по этой культуре из НИИ садоводства Сибири имени М.А.Лисавенко кандидату сельскохозяйственных наук Юрию Анатольевичу Зубареву, и он нам очень помог.
Плод облепихи состоит из семени и мякоти, однако содержание масла и жирнокислотный состав у них совершенно разный. А нам надо выяснить почему. И как можно на растение воздействовать, чтобы достичь наилучших показателей.
Думаю, лет за пять мы с этой задачей справимся, если, конечно, сохранится финансирование и нам будет сопутствовать удача.
— Объясните, пожалуйста, как в компанию замечательно-полезных культур затесался тополь — дерево вроде не самое ценное?
— Тополь, между прочим, дает самую лучшую белоснежную бумагу, и фанера из него выходит преотличная. А получилось так: будучи разработчиками молекулярно-генетических подходов, мы искали, где бы еще их применить. Стали участниками конкурса по улучшению жизни столицы и предложили избавить Москву от тополиного пуха.
Проблема для города, замечу, немаловажная и весьма затратная. Идея наша простая: отказаться от деревьев-«девочек», разбрасывающих семена с помощью пуха, оставив для посадки только «мальчиков».
Выяснилось, что никто не знает, чем на геномном уровне отличаются тополиные «девочки» от «мальчиков». Однако за несколько лет нам удалось разработать молекулярный маркер, позволяющий даже у саженцев определять пол. И сегодня знаем, как, исключив женские семена, выращивать только мужские.
Но что дальше? Вроде все понимают важность этой проблемы для Москвы, нас слушают, кивают головами в знак одобрения. Однако окончательный вывод так и не сделан. А нужно, на наш взгляд, на более высоком уровне, взвесив все «за» и «против» (если таковые доводы найдутся), принять решение.
Провести экспертизу: определить, какие тополя для города вредные, а какие нет. И, воспользовавшись нашим методом, отобрать генотипы, не загрязняющие столицу пухом и устойчивые к ее экологии. Только и всего.
Думаю, не будет преувеличением сказать, что наша технология позволяет значительно повысить эффективность возделывания фактически любых сельскохозяйственных растений, гарантирует производство из них высококачественных продуктов с заданными свойствами и без вредных, опасных последствий.
Более того, мы в состоянии не только исправлять качество уже известных растений, но и создавать новые со свойствами, которые удовлетворяли бы требованиям самых разных потребителей. Скажем, для льна получать продукты с высоким содержанием омега-9, чего в природе не встречается.
Стремимся собирать растения по принципу детского конструктора. Чтобы выращивать в одном случае, скажем, плоды сладкие, а в другом — кислые, учитывая самые разные запросы потребителей. Людям пожилым, например, требуется укреплять кости, а детям — повышать гемоглобин…
Наши возможности фактически безграничны. Хотим, чтобы пища была еще и лекарством: могла и насыщать, и лечить. Впереди работа под конкретного заказчика, чтобы вывести его продукт на рынок. Но эта проблема для нас пока неизведанная и необыкновенно сложная.