В новой редакции. Растения становятся выносливее благодаря генетикам - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

В новой редакции. Растения становятся выносливее благодаря генетикам

Кажется очевидным, что животные, а тем более человек,  намного сложнее по своей организации, чем растения. Как же тогда объяснить тот факт, что у человека 25 тысяч генов, а у простой пшеницы их более 100 тысяч? Заведующий лабораторией геномики растений Института биохимии и генетики Уфимского федерального исследовательского центра РАН, профессор кафедры биохимии и биотехнологии Башкирского государственного университета Булат КУЛУЕВ постарался донести смысл ситуации «Поиску». Он исследует геномные тонкости сельскохозяйственных культур. Если точнее, сейчас вместе со своей научной командой изучает генетическую регуляцию роста корней при дефиците влаги. Такая тема актуальна для России, где на большинстве плодородных земель растения, как ни странно, испытывают множество различных стрессов.
– Мы работаем с модельным растением табак, – рассказывает Булат. – Это очень удобный объект для генной инженерии, геномного редактирования и физиологических экспериментов. Табак легко генетически модифицируется, хорошо растет в лабораторных условиях и отлично регенерирует в условиях культуры, то есть в чашках Петри. Результаты, полученные на модельном объекте, мы затем переносим на сельскохозяйственные растения. К примеру, ведем работы с мягкой пшеницей, горохом посевным, рапсом, амарантом и хлопчатником. При выращивании все они испытывают нехватку воды, причем причина не только засуха, но и холод, засоление, загрязнение почвы тяжелыми металлами. Все эти стрессовые факторы так или иначе вызывают в растениях дефицит влаги, что сильно сдерживает жизненные процессы, и из-за этого падают урожайность, а также качество продукции.
В процессе эволюции растения выработали множество механизмов преодоления недостатка воды. Наша основная задача – раскрыть молекулярные механизмы регуляции клеточного растяжения и устойчивости при действии стрессовых факторов. Знания, которые мы получили в результате экспериментов, используем в генной инженерии и геномном редактировании для улучшения параметров роста корней в стрессовых условиях. При засухе, засолении и холоде корни перестают расти. Наша задача, наоборот, вызвать рост этого органа при стрессовых условиях, чтобы подземная часть растения могла быстро добраться до более глубоких водоносных слоев почвы.
– Что представляет собой генетическая регуляция роста корней?
– В этом процессе участвуют сотни генов. Он довольно подробно исследован на модельном растении арабидопсис, но говорить о раскрытии всех основных его механизмов пока рано. Подробно изучив вопрос, мы пришли к выводу, что наука в этой области находится только в начале пути. Требуется комплексный и даже междисциплинарный подход с использованием знаний как физиологии растений, так и молекулярной биологии. Только используя множество методов и одновременно исследуя десятки генов и их функции, можно приблизиться к ответу на вопрос, как же происходит регуляция стрессоустойчивости корней при изменяющихся условиях среды.

Мы исследуем три основные группы генов, которые участвуют в регуляции клеточного деления, роста клеток растяжением, а также относятся к компонентам антиоксидантной системы. Важная задача – выявление особенностей взаимодействия между этими группами генов через генетическую и фитогормональную сеть клеточной сигнализации. То есть важно выяснить не только функции отдельных генов, но и то, как же они между собой взаимодействуют. Некоторые исследователи подробно изучают функции отдельно взятого гена, но к раскрытию основных механизмов регуляции роста и стрессоустойчивости так и не приближаются. Поэтому важен комплексный подход.

– Расскажите о вашем вкладе в этот сложную область.
– Мы создаем множество вариантов трансгенного табака с увеличенной или уменьшенной экспрессией различных генов и смотрим, что же будет с растением. Для этого применяем метод агробактериальной трансформации. В этом процессе, как видно по названию, используются агробактерии, которые по сути природные генные инженеры. Эти бактерии способны переносить любую ДНК в растительные клетки и внедрять их в геном табака и других видов. Кстати, эта технология чаще всего и используется при создании генно-модифицированных культур.
Для того чтобы раскрыть функции многочисленных генов, задействованных в регуляции роста корней, мы проводим комплексное исследование трансгенных растений, применяя различные методы биохимии, молекулярной биологии, биотехнологии. В частности, блокируем работу того или иного гена. Изучая растение с молчащим геном, выясняем, какую роль он выполняет в организме.
Полученные результаты планируем использовать в генной инженерии и геномном редактировании сельскохозяйственных культур. Мы уже создали генно-модифицированные рапс и амарант, которые отличаются большей продуктивностью в стрессовых условиях. Однако их выход на поля пока невозможен из-за несовершенства российского законодательства в области регулирования ГМО.
Кстати, запрет на выращивание генно-модифицированных растений в нашей стране существенно сдерживает не только внедрение полученных научных результатов, но и развитие фундаментальной науки. Нам, к примеру, много раз отклоняли заявки на гранты только потому, что мы планировали получение тех или иных генетически трансформированных культур.
Более того, некоторые российские журналы даже отказывали в публикации наших статей, так как их редакционные коллегии были настроены резко против ГМО. Они даже присылали нам официальные письма про то, что работать с трансгенными растениями не следует, так как это может привести к созданию опасных для здоровья людей культурных растений. В своих многочисленных теоретических исследованиях и наших обзорных статьях, которые опубликовали в журнале «Биомика», мы доказываем абсолютную безвредность ГМО как для здо­ровья людей, так и для равновесия в экосистемах.
– На ваш взгляд, почему в России существует запрет на генно-модифицированные растения, а за рубежом они активно выращиваются и продаются? Неужели те же США будут намеренно «травить» своих граждан такими продуктами?
– Существует мнение, что это одно из проявлений протекционизма со стороны нашей страны. То есть таким образом наше государство может пытаться защититься от экспансии американских и других зарубежных ГМ-семян. Однако более глубокий анализ ситуации показывает, что законодательство в этой сфере срочно должно быть изменено, так как сегодня оно, скорее, не сдерживает поток ГМ-семян из-за рубежа, а колоссальным образом мешает развитию биотехнологии, генной инженерии и геномного редактирования в России. Еще один досадный факт –  неосведомленность нашего населения о безвредности ГМО. Ни на чем не основанные страхи людей перед трансгенными растениями тоже способствуют сохранению несовершенных законов в этой области.
– Далеко ли наука продвинулась в изучении функций генов?
– Исследованием функций генов занимаются разные научные группы. Причем такие работы активно ведутся, начиная с конца прошлого века, когда был секвенирован первый геном растений, а именно арабидопсиса. С этого момента начинается постгеномная эра в биологии.
Но речь не идет о выяснении роли всех растительных генов. Дело в том, что даже у арабидопсиса, имеющего один из самых маленьких геномов, число генов превышает 25 тысяч. Общее количество белков, которые кодируются этими генами, по теоретическим предположениям может составлять до 50 тысяч. Каждый такой белок может участвовать в реализации не одной, а нескольких биологических функций.
Усилиями всей мировой науки не выяснены функции даже половины генов у модельного растения арабидопсис, не говоря уже о мягкой пшенице, у которой, к примеру, не менее 100 тысяч генов. Это говорит о том, что у растений геномы и генетическая регуляция устроены довольно сложно, возможно, даже сложнее, чем у человека. Ведь у человека всего лишь 25 тысяч генов. Вероятнее всего, это связано с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни и в отличие от животных и человека не могут убежать из места действия стрессового фактора. Растение вынуждено сопротивляться всей мощью своей клеточной сигнализации, которая регулируется генами.
Вообще для нормального роста корней нужны многие функции генов, но главные из них – это регуляция деления клеток, их растяжения, а также антиоксидантная защита от так называемых активных форм кислорода, которые формируются при действии стресса. Эти агрессивные соединения разрушают биомолекулы, окисляют мембранные липиды, поэтому растения выработали множество механизмов их деактивации при помощи многочисленных компонентов антиоксидантной защиты, которые тоже регулируются генами. Кстати, весьма схожие системы антиоксидантной защиты функционируют и в организме человека. И их правильная работа может способствовать продлению жизни.
– Что станет результатом вашей работы?
– Новые технологии, которые могут быть использованы для улучшения роста корней при дефиците влаги. Это приведет к созданию новых сортов стрессоустойчивых и высокопродуктивных культурных растений. Такие сорта мы получим методами маркер-ориентированной селекции. Для этого уже начали совместные исследования с Чишминским селекционным центром, который находится в Башкирии. Также создадим генно-модифицированные, а в дальнейшем и генетически-редактированные сельскохозяйственные культуры с полезными признаками. Только жаль, что наши разработки пока не удается продвигать в область промышленного сельского хозяйства из-за запрета на выращивание трансгенных растений в России. По итогам опубликуем научные статьи и монографию, подали заявки на патенты. Будем стараться публиковать наши статьи в хороших высокорейтинговых журналах, в том числе зарубежных.
Мы уже используем полученные результаты при обучении студентов. Привлекаем к исследованиям аспирантов и магистрантов, выполняющих свои диссертационные и дипломные работы. Всем им даем новую отдельную тему, поэтому они с большим интересом включаются в исследовательский процесс. То есть молодежь с самого начала учится ставить цели и формулировать задачи для их достижения. Аспиранты и магистранты сами планируют и выполняют свою работу. Такой подход позволяет эффективно использовать их для выполнения задач лаборатории, государственных заданий и грантовых проектов. Они сразу привыкают к мысли, что это их проект, и потому у них повышаются ответственность и мотивация. Я как заведующий лабораторией при этом даю им ежедневные советы, обучаю нашим методам, помогаю осваивать оборудование и программное обеспечение, а также проверяю выполненные задачи, помогаю с написанием статей, диссертаций и отчетов.
– Кто будет использовать результаты ваших исследований?
– Эта работа важна прежде всего для растениеводства и сельскохозяйственного производства. Наши технологии можно использовать в биотехнологии и маркер-ориентированной селекции культурных растений для повышения их урожайности и качества получаемой продукции в условиях ухудшения климата. Сегодня проблема дефицита влаги стала одной из главных в сельском хозяйстве, причем с каждым годом она усугубляется. Особенно остро она стоит во всех зонах с аридным климатом, то есть в пустынях и степях. У нас в России она характерна для всех южных регионов, которые как раз главные земледельческие районы страны. То есть там, где хватает тепла для выращивания растений, там засуха. А где холодно, растения тоже не могут усваивать воду из-за того, что мембраны их клеток переходят в более твердую фазу. Наши технологии геномного редактирования и ускоренной селекции помогут создавать новые улучшенные сорта мягкой пшеницы, рапса, гороха и других культур. Так как они не будут истинно трансгенными, мы полагаем, что в ближайшем будущем без значительных препятствий сможем вывести эти инновационные растения на поля.
Фирюза Янчилина

 

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2