Ученые улучшают качество сельскохозяйственных растений
Отредактировать природу — сегодня уже не фантастика, а реальность и даже необходимость. Именно на это нацелен поддержанный РНФ проект (21-66-00012) с ежегодным финансированием в размере 30 миллионов рублей. «Создание с использованием генетических технологий и изучение новых линий растений, адаптированных к меняющимся условиям окружающей среды, обладающих повышенной продуктивностью и диетической ценностью».
Грантополучатель — Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И.Вавилова (ВИР). В проекте сочетаются компетенции практикующих селекционеров, генных инженеров, молекулярных генетиков, специалистов в области биохимии растений. В чем в чем, а в здоровых амбициях тщательно подобранному научному коллективу не откажешь. Сделать растения устойчивыми к болезням и вредителям, адаптировать к меняющимся условиям окружающей среды, повысить их пищевую и технологическую ценность, увеличить продуктивность — значит воплотить в жизнь мечту человечества о продовольственной безопасности. А если рассуждать прагматично, таков настоятельный запрос продовольственного рынка, в том числе рынка диетического и функционального питания, и в целом современной пищевой промышленности.
Проект, ставший победителем конкурса РНФ 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указам) Президента Российской Федерации» (генетические исследования), охватывает более 10 сельскохозяйственных культур. Подбор, что называется, на все вкусы: ячмень, кукуруза, чуфа, соя, горох, свекла, редис, арбуз, киви, виноград… Исследователи намерены менять габитус (внешний облик) растений, контролировать форму, размер и биохимический состав плодов, увеличивать продуктивность, диверсифицировать сорта по срокам спелости, применительно к конвейерному типу производства конкретных видов продукции.
Главные препятствия на пути к этим заманчивым целям — узкий спектр доступных генов-мишеней, пригодных для редактирования, специфическая зависимость эффективности трансформации и регенерации культур от их видов и генотипов (условно говоря, что хорошо для свеклы, не работает для арбуза). Кроме того, недостаточно изучено плейотропное действие нокаута тех или иных генов, то есть потенциальное влияние не только на целевой признак, но и на другие свойства. Проект как раз и направлен на преодоление барьеров, мешающих широкому применению генетических технологий в растениеводстве.
— Наша стратегия состоит в том, чтобы охватить широким фронтом разные культуры, идти от характеризации генов-мишеней и редактирования отдельных генов у одних культур до изучения плейотропного действия мутаций на тех редактированных культурах, с которыми мы уже продвинулись далеко вперед, — говорит руководитель проекта — директор ВИР доктор биологических наук, профессор РАН Елена Хлесткина. — Успешное выполнение проекта заложит фундамент для масштабирования подобных работ в объеме требований современной селекции, поможет в решении задач обратной генетики, то есть понимания функций того или иного гена исходя из результатов проведенных экспериментов.
Стартовой точкой проекта и одновременно точкой роста для института стало создание лаборатории «Центр генетических технологий ВИР». В коллективе преобладают молодые ученые, которые под руководством наставников осваивают комплексный междисциплинарный подход к исследованиям на стыке генетики, биотехнологии, генной инженерии, биохимии, физиологии, растениеводства и селекции; для некоторых это еще и выполнение их диссертационных работ.
Вернемся к перечню барьеров на пути ученых. Как увеличить число генов, пригодных для редактирования? По словам Елены Хлесткиной, прежде всего за счет идентификации новых эффективных генов-мишеней: это и ключевой регулятор синтеза фитомеланинов растений для ячменя, и гены, способствующие адаптации вигны — культуры сухого жаркого климата — к условиям влажного климата Приморья, чтобы расширить ареалы возделывания этой рентабельной культуры. Кроме того, проводится идентификация генов-мишеней для изменения габитуса и увеличения продуктивности различных представителей зернобобовых, плодовых и овощных культур, поиск генов эмбриогенности на примере люцерны. Для установления функций генов — потенциальных мишеней применяется комплекс современных методов прямой и обратной генетики, включая транскриптомный, молекулярно-генетический анализ и т. д.
— Моя задача — исследовать регенерацию бобовых культур, которую мы изучаем уже много лет, так как это — важный этап получения редактированных растений, — рассказывает Варвара Творогова, старший научный сотрудник лаборатории. — У большинства бобовых регенерация затруднена, поэтому их сложно редактировать. Мы ищем новые гены, участвующие в регенерации, и пробуем с их помощью стимулировать этот процесс. Ранее нам удалось создать специальную базу данных о генах модельного бобового растения люцерны усеченной. В рамках проекта мы продолжаем эту работу. Наличие такой базы позволило определить ключевые регуляторы регенерации, получить модифицированные линии люцерны, а затем перенести информацию с модельного объекта на другие бобовые культуры: сою, горох…
Неотъемлемая часть проекта — всестороннее изучение редактированных линий, например, ячменя на предмет плейотропного действия мутаций на устойчивость к разным факторам. И в этом, как подчеркивает профессор РАН Елена Хлесткина, принципиальное отличие подхода в данном проекте от ставших модными в сфере генетических технологий скороспелых публикаций по новым линиям. Из текстов не ясно, проводилось ли комплексное изучение новых линий и что оно показало, как изменился целевой признак, не затронуты ли редактированием другие свойства растений.
— Целесообразность проведения экспериментов в этом направлении для нас очевидна, — дополняет Елена Антонова, старший научный сотрудник лаборатории. — К примеру, одним из первых факторов, который мы использовали для оценки устойчивости линий ячменя, была ионизирующая радиация. Мы предположили, что редактированные линии будут отличаться от контрольной скоростью роста и устойчивостью к гамма-облучению. Наша гипотеза подтвердилась. К последствиям плейотропного эффекта можно отнести появление коротких корней у проростков, уменьшение числа и изменение формы корней после облучения. После редактирования еще одного гена плейотропный эффект проявился в повышении жизнеспособности семенного потомства, изменении формы и окраски листьев, чувствительности побегов к облучению. Данные, полученные в ходе реализации проекта РНФ, были опубликованы в статье в престижном журнале Plants за 2022 год, исследования продолжаются.
Грант рассчитан на изучение разных сельскохозяйственных культур. Среди них и горох — один из самых ценных источников растительного белка. Вырабатывать как можно больше белка ему помогают особые симбиотические бактерии ризобии, способные фиксировать атмосферный азот и переводить его в состав органических соединений.
— Ризобии поселяются в клубеньках — специализированных симбиотических органах, формирующихся на корнях гороха, — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории Мария Лебедева. — Мы продолжаем заниматься поиском факторов, контролирующих количество таких клубеньков. Охарактеризовали два гена гороха, подавляющих их развитие, научились выращивать корни с измененным генотипом, однако эти изменения не передаются потомству. Для создания модифицированных линий со стабильным наследованием генетических изменений требуются полностью трансгенные растения, отработкой методов их получения мы сейчас занимаемся в рамках гранта РНФ. В итоге сможем предложить селекционерам горох, который имеет больше клубеньков и эффективнее усваивает азот из окружающей среды.
Одним горохом сыт не будешь: требования к разнообразию питания растут, и, отвечая на них, ученые буквально открывают отечественному потребителю малоизвестную зернобобовую культуру вигну. Благодаря высокой урожайности, прекрасным вкусовым качествам семян и бобов, устойчивости к абиотическим стрессам (нежелательным воздействиям климата, состава атмосферы, воды, почвы) вигну спаржевую давно употребляют в пищу в Азии. Теперь ее стали возделывать и в южных регионах России. Растения с законченным типом роста стебля устойчивы к полеганию, удобны для механизированной уборки, выгодно отличаются от сородичей дружным созреванием бобов. Однако на тип роста влияет и влажность воздуха, что пока не позволяет активно выращивать вигну в Приморском крае. В связи с этим предстояло выявить молекулярно-генетические механизмы, определяющие тип роста этой культуры и особенности перехода к цветению в условиях повышенной влажности. Сравнительные эксперименты ставились в условиях естественного выращивания вигны в Прикаспийской низменности и Приморском крае (соответственно на Астраханской и Дальневосточной опытных станциях ВИР). Был проведен скрининг образцов спаржевой вигны из коллекции ВИР на способность к регенерации в культуре in vitro. Все это позволило выявить потенциальные гены-мишени и разработать модель экспресс-проверки конструкций для редактирования.
— Предполагаем к окончанию срока действия гранта перейти к быстрому и эффективному созданию новых сортов с целью расширения ареала промышленного возделывания вигны за пределами районов с жарким и сухим климатом, — сообщила научный сотрудник лаборатории Екатерина Крылова. — Изучение подобных генетических механизмов на средства следующих грантов поможет решить проблему сохранения урожая гороха, нута и других зернобобовых культур в дождливые годы в средней полосе России.
В рамках проекта ученые исследуют и незаслуженно забытый, но бережно сохраняемый в коллекции ВИР земляной орех чуфу, культивируемый в Азии, Африке и ряде стран Европы в промышленных масштабах. Это неприхотливое многолетнее растение формирует множество подземных побегов, на концах которых образуются съедобные клубни, содержащие большое количество масла (20-25%), крахмала (26-30%) и клетчатки (8-10%). Насыщенность минералами и витаминами, легкость выращивания и возможность долгого хранения делают чуфу ценным пищевым и лекарственным растением. Помимо того, что клубни съедобны в сыром виде, из них можно получать масло, по химическому составу близкое к оливковому, муку, используемую в пищепроме, и молоко. А еще чуфа может применяться в приготовлении шоколада, пралине, марципанов, конфет — налицо перспективы импортозамещения, и не случайно чуфой уже заинтересовались российские кондитерские компании. Зеленая часть растения также идет в дело — на корм домашним животным.
— Цель наших экспериментов в рамках гранта РНФ — увеличить размер клубней чуфы путем геномного редактирования, что сделает этот продукт более популярным для покупателей и удобным для производства и переработки, — рассказывает научный сотрудник лаборатории Мария Ганчева. — Мы выявили у чуфы ген, который предположительно отвечает за рост клубня, а также впервые провели полногеномное секвенирование для исследования всей ДНК растения. К концу работы по гранту в 2024 году планируем получить модифицированные линии чуфы с увеличенными клубнями. У чуфы ранее не изучали генетические основы клубнеобразования и не производили поиск регуляторов развития клубня, эти задачи могли бы войти в заявку на продолжение проекта.
От недооцененных вигны и чуфы — ко всем известному винограду. Работы по его редактированию нацелены на получение растений с измененным биохимическим составом. Уже выбраны два гена-мишени, один из которых отвечает за изменения окраски мякоти плода, другой — за синтез винной кислоты, что впоследствии будет влиять на сахарокислотный индекс и повышать сахаристость ягод.
— Мы составили выборку сортов винограда из коллекции ВИР, выращиваемых на Дагестанской опытной станции, — говорит специалист лаборатории аспирант ВИР Мария Ерастенкова. — В испытаниях участвуют сорта различной степени устойчивости, окраски ягод и контрастные по сахарокислотному индексу. Параллельно занимаемся введением выбранных образцов в культуру in vitrо, ресеквенированием выбранных генов-мишеней, конструируем вектор для дальнейшего редактирования. К завершению проекта планируем получить модифицированные растения винограда in vitro. Это залог успешного выращивания полноценных полевых растений с желаемыми свойствами, которые можно будет использовать для создания новых отечественных сортов винограда с улучшенным вкусом ягод.
Мало овладеть технологиями редактирования — нужно опираться на генетическое разнообразие коллекций для идентификации новых генов-мишеней и выбора подходящих видов и генотипов для редактирования. Работы лишь на модельных генотипах с широко известными генами-мишенями не позволят добиться конкурентоспособных результатов. Так считает старший научный сотрудник лаборатории Юлия Ухатова, с которой мы говорили о комплексном изучении редактированных линий ячменя. К счастью, ВИР располагает Вавиловской коллекцией генетических ресурсов культурных растений и их диких родичей, которая насчитывает более 320 тысяч образцов! Именно из нее ученые выбирают образцы с уникальными свойствами и используют их для комплексных исследований, направленных на идентификацию генов-мишеней, здесь же находят и что редактировать, какие сорта улучшить путем изменения генов-мишеней.
Другое конкурентное преимущество ВИР — наличие сети опытных станций. Комплексные генетические исследования, включающие поиск генов-мишеней, невозможны без полевых экспериментов в разных климатических, биолого-почвенных условиях. Опытные образцы выращиваются на Адлерской (соя, вигна, киви), Дагестанской (виноград), Крымской (горох), Кубанской (арбуз, чуфа, кукуруза), Дальневосточной (вигна) и других экспериментальных площадках института, а также в Пушкинских и Павловских лабораториях ВИР.
— Проектом охвачены более 20 генов-мишеней у более чем 10 культур, разработаны долгосрочные планы по их исследованию и всестороннему изучению получаемых редактированных линий, — говорит Елена Хлесткина. — Поскольку в фокусе нашего внимания как новые культуры, так и их гены, по которым пока нет публикаций, то можем реально рассчитывать на прорывные достижения. Работа идет строго по плану проекта, а мы уже заглядываем за горизонт, в 2024-2027 годы, определяем приоритетные задачи по созданию и изучению новых линий растений, которые надеемся решить при дальнейшей поддержке со стороны РНФ, фактически полноценного соучастника наших результатов.
Аркадий Соснов
На снимках: старший научный сотрудник Юлия Ухатова (слева), руководитель проекта Елена Хлесткина и аспирант Мария Ерастенкова; младший научный сотрудник лаборатории «Центр генетических технологий ВИР» Татьяна Семилет ведет подготовку к секвенированию образцов кукурузы.
Нет комментариев