Loading...

Для чего ученые редактируют растения и зачем селекционерам ПЦР-тестирование пшеницы?
minka2507 / Pixabay

О том, каких специалистов ждет аграрный комплекс, зачем ПЦР-тестирование в поле, как готовят современных биотехнологов, генетиков, агрономов и селекционеров, чтобы они могли ответить на глобальные вызовы, официальный портал Года науки и технологий поговорил с руководителем направления «Биология и биотехнология растений» Университета «Сириус», директором Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова (ВИР) Еленой Хлесткиной.

— Елена Константиновна, насколько актуальна сегодня селекция в контексте общего развития науки и общества? Для чего в современном мире нужно выводить новые сорта растений, овощей, фруктов, ягод? Ведь в супермаркетах недостатка продуктов нет.

 Мы едим картофель, пшеницу, свеклу, не задумываясь над названием сортов. И обращаем на это внимание, только если сами занимаемся огородничеством, выбираем сорт моркови или томатов для выращивания. Между тем происходит постоянная сортосмена, битва за урожай, которая невозможна без совершенствования того, что называется генотипом сорта. Урожайность, вкус, размер плода — на все это влияют окружающая среда, гены.

Если мы вывели сорт пшеницы для Краснодарского края, он ничего не даст в яровом посеве в Сибири или на Алтае. Сорта выводятся для каждого отдельного региона и даже для отдельных микроклиматических зон. Цель — как можно лучше «состыковать» генотип и окружающую среду для извлечения максимальной урожайности данной культуры в данном регионе. Были периоды селекции, когда требовалось кардинальное усовершенствование генотипов.

— Какие это были периоды?

— Первым таким ярким периодом было послевоенное время — переход к механизации и химизации в сельскохозяйственном производстве. В ответ на новые требования производства потребовалось перестроить селекционные программы. Потребовалось выводить сорта картофеля с более прочной кожурой, которая не повреждается при механизированной уборке. Еще один пример — рожь, пшеница.

Если вы выйдете в современное зерновое поле, то пшеница будет чуть выше колена, а на картинах XIX века можете видеть людей, идущих по пшеничном полю почти по пояс. Люди не стали великанами — низкорослыми стали сорта зерновых. Раньше отбирали быстро растущие генотипы, чтобы возделываемые растения быстро обгоняли и побеждали сорняки. С применением гербицидов стало возможным выращивать короткостебельные сорта. Они, в отличие от высокорослых, более устойчивы к полеганию. Это важно, потому что если пшеница полегла от дождя или ветра, ее уже никаким комбайном не собрать.

— А если говорить о сегодняшнем дне, то что происходит? Какие тренды наблюдаются?

— Например, появились сорта, из которых можно делать продукцию для функционального и диетического питания без искусственных добавок. При создании сорта можно его генетически «спрограммировать» таким образом, чтобы он мог производить нужное количество витаминов, микроэлементов. Тогда добавки не понадобятся. Еще один тренд, не самый лучший, но появившийся в угоду рынку и в угоду нам, — это транспортабельность и лежкость плодов.

Мы привыкли круглый год покупать клубнику, различные фрукты и овощи, хоть и ворчим, что это все безвкусное и «деревянное». Как в одном сорте соединить лежкость и отличный вкус? Подчас это невозможно. Сладкая нежная ягода быстро раздавится и испортится. Чтобы решать такие биологически противоречивые задачи, современный селекционер должен обладать арсеналом новых ювелирных методов селекции.

И конечно, нужны глубокие фундаментальные знания, на которых строятся новые технологии next-generation breeding — селекции следующего поколения. К таким технологиям относится, например, редактирование генома.

— Вы говорили, что окружающая среда — один из факторов, под который селекционеры подстраиваются при выведении новых сортов. И меняющийся климат — одна из самых значимых проблем современности. Как эти изменения отражаются в агротехнологиях?

— Меняющийся климат — это следующий вызов, да. Климат становится нестабильным, на длинном отрезке времени наблюдается некоторое повышение температуры, но в коротких отрезках времени для сельхозпроизводства страшно не это, а сопутствующая нестабильность погоды.

Зима то слишком теплая, то слишком морозная (хуже, если морозная и без снега). То засуха, то осадки совсем не вовремя. Как быстро приспособить растения? А с учетом, что процесс селекции долгий, еще и надо научиться адаптировать сорта для будущих смоделированных изменений окружающей среды.

Развитие биологической науки, появление методов полногеномного секвенирования, биоинформатика, развитие молекулярной генетики — все это шло какое-то время параллельно селекционному процессу, но сейчас начинает сходиться в одной точке — и очень вовремя, учитывая те вызовы, которые я только что перечислила. Действительно, сегодня требуется комплексное взаимодействие разных специалистов, работа с большими данными, моделирование генотипов будущего на этой основе и создание их ускоренныv способом при помощи генетических технологий.

— Можно ли сказать, что современная наука позволяет выпускать новые сорта прямиком из лаборатории в производство?

 Когда мы говорим про новые методы селекции, отнюдь не имеется в виду, что мы можем забыть старую добрую традиционную селекцию и мечтать, что «сейчас мы тут в лаборатории создадим сорт и сразу передадим в поля». Ничего подобного. Селекция остается селекцией, и сорт не перенести с поля в лабораторию полностью. Но часть многоэтапного селекционного процесса мы все же можем выполнять вне поля, сокращая тем самым срок создания сорта.

Например, мы можем проводить отбор по некоторым признакам не в поле, а при помощи ПЦР-тестирования в лаборатории. Или при помощи редактирования генов можно улучшить сорт по некоторым признакам практически за год-два. Но вместе с первым этапом изучения, подбором исходного материала и завершающими полевыми этапами оценки созданного генотипа на создание сорта все равно уйдет 5–6 лет. Новые методы дополняют, а не заменяют прежние подходы.

Например, сейчас в Университете «Сириус» мы ведем трехлетний проект по генетическому редактированию винограда, учимся заменять длительный этап, состоящий из скрещиваний и отбора, более коротким биотехнологическим этапом. При помощи системы редактирования CRISPR/Cas мы хотим изменить несколько генов винограда.

— Для чего вы создаете новый сорт? Что даст внедрение новых генов?

— Мы внесем изменения, которые повысят устойчивость к двум распространенным заболеваниям — серой гнили и мучнистой росе. Далее полученный материал должен будет проходить размножение, конкурсные испытания, государственную регистрацию, прежде чем станет сортом, который идет в производственные поля. Это первая ласточка. И я хочу сказать, что образовательные модули, которые мы проводим в Университете «Сириус», выстроены по такой же логической цепочке, что и современная селекционная программа.

Первый модуль был посвящен генетике и генетическим ресурсам растений. Студенты получили понимание, откуда берется исходный материал для селекции, как находить гены-мишени, маркирование или редактирование которых позволит ускорять процесс селекции. Такой глубокий пласт фундаментальной науки, который позволяет внедрять достижения в практику. Второй модуль, который проходит сейчас, посвящен технологиям редактирования и/или маркирования генов-мишеней, а также другим приемам разных направлений инженерии растений.

Как раз все те работы, которые ведутся в рамках проекта по винограду (сборка конструкций для редактирования, доставка этих конструкций в клетки растений, проверка эффективности), сейчас изучают студенты в «Сириусе».

— То есть молодые ученые, с одной стороны, знакомятся с технологиями и подходами, с другой стороны — присоединяются к масштабному практикоориентированному проекту?

— Да. Ведь если мы будем учить всех работать на модельных растениях, на арабидопсисе (небольшие цветковые растения, относящиеся к капусте и горчице, — прим. ред.) или сосредоточимся на одной-двух культурах, допустим на пшенице и картофеле, мы передадим хорошие знания, но их не будет достаточно. Поэтому мы и в лекциях, и в практикумах, и в семинарах затрагиваем несколько разных групп культур, делаем акценты на особенностях работы с ними.

К ним по-разному нужно подходить не только в традиционной селекции и агротехнологиях, но и в инженерных работах. Виды по-разному поддаются культивированию in vitro, у них разные геномы, каждый со своей особенностью. Но главное, чего мы хотим добиться от выпускников, — получая большие (геномные, феномные и прочие «омиксные») данные, научиться их в конечном счете транслировать в простую и при этом эффективную технологию, которая поможет селекционеру в его ежедневной работе.

— Например, какие технологии актуальны для селекционера?

— Например, у современного селекционера, кроме поля и теплицы сейчас, как правило, есть еще и ПЦР-лаборатория. Что такое ПЦР-тестирование, из-за пандемии теперь все знают. Если упростить, то это быстрый способ установить, есть у тебя вирус или нет. В случае растений тестирование покажет, несет это растение ген устойчивости к болезни или нет.

Зачем селекционеру именно ПЦР-тестирование устойчивости к болезням растений? Для того чтобы создать сорт, селекционер через свои руки пропускает десятки тысяч растений. Проводить традиционный фитопатологический скрининг такого числа растений — невероятная, неподъемная работа. Но, поставив ПЦР–тест, селекционер быстро определит, какие несколько десятков растений ему надо взять в дальнейшую работу, а остальные  неустойчивые  смело отбросить и не тратить время и средства на их выращивание и оценку.

Для того чтобы перейти от сложных лабораторных результатов к конкретной технологии, нужно хорошее биологическое мышление, которое мы и хотим студентам помочь сформировать. В магистерском курсе, который мы запускаем со следующего года, подобрано все то, что необходимо будет для подготовки полноценного специалиста с глубоким знанием, с очень хорошим биологическим мышлением, который сможет не просто выполнить краткосрочный проект, опубликовать статью или получить трансформированные растения, измененные по какому-то известному гену, но сможет сам разрабатывать новые технологии и находить новые гены-мишени для практики.

— А проект по селекции винограда как сегодня развивается? Откуда брались материалы для экспериментов?

— Проектом занимаются исследователи из НТУ «Сириус» в сотрудничестве со Всероссийском институтом генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова. Также у НТУ достигнута договоренность с ведущим институтом в области традиционной селекции винограда «Магарач» для дальнейшего испытания материала, полученного биотехнологическим путем.

— О каком испытании речь?

— Отредактированная линия не становится сразу сортом, она должна пройти испытание, такое же, как проходит весь селекционный материал. Без этой апробации дальше ни один сорт не сможет выйти в производство, нужно выявить все достоинства и недостатки. Сейчас уже понятно, что, если мы один и тот же ген меняем у одного, у другого, у третьего сорта, эффект на уровне фенотипа может быть разной степени, никто не отменял взаимодействие генов.

Мы сразу взяли в исследование несколько сортов, несколько генов в качестве мишеней, чтобы на выходе иметь несколько линий на разных сортах и чтобы почерпнуть практически полезные знания о том, как взаимодействуют гены. Чем больше комбинаций, тем больше шанс, что получится одна из наиболее эффективных. В этом состоит поисковая часть проекта. Если бы мы заранее знали результат, на каких сортах лучше сработает, то взяли бы только эти сорта и работали «под копирку», но это был бы уже не научно-исследовательский проект, а просто применение технологии в производстве.

— А ген-мишень как удалось определить?

— На старте мы активно общались с коллегами, чтобы не просто из литературы взять какой-то ген-мишень и попробовать, а выявить конкретную проблему, актуальную у нас в регионе, где выращивается культура. Очень важно генетикам, биотехнологам обращаться к селекционерам или производственникам, интересоваться, какие проблемы надо решать. И технологическую цепочку, по которой внедряются в производство сорта, обязательно пройти со специалистами, которые профессионально оценят и дадут характеристики, здесь как раз важна связка с селекционными институтами. По такому принципу выстроен наш проект, таким образом будут выстраиваться следующие проекты.

— Вы привлекаете в Университет «Сириус» специалистов для образовательной программы и для реализации таких междисциплинарных проектов. Что нужно, чтобы эти проекты здесь успешно развивались? Как формируется база в рамках лабораторного комплекса университета?

 К образовательной программе мы привлекаем специалистов из разных центров и регионов, тех, кто работает с разными культурами, чтобы они помогли сконцентрировать в университете компетенции работы с ними. Инфраструктура тоже нужна комплексная, если вы работаете не только с пшеницей, картофелем.

Даже растильные камеры нужны разные для разных культур, чтобы получить материал для последующей трансформации редактирования, соответственно, всю эту информацию по крупицам собирали. Так сформировали общий комплект инфраструктуры для биотехнологических работ. В следующем году к нам присоединятся еще 20 магистрантов, мы ожидаем, что они будут работать на разных культурах.

— Где еще ваши выпускники, магистранты, могут быть востребованы, кроме проектов НТУ и партнерских институтов, вроде ВИР имени Вавилова?

 В любых комплексных программах, которые охватывают больше двух десятков институтов. Только в ВИР в этом году прошли два проекта, в которых задействованы порядка двух десятков институтов, в любой из этих центров нужны такие современные специалисты. Если по душе фундаментальная наука, выпускник устроится в генетический центр искать новые гены-мишени. Если интереснее практическая работа, создание новых генотипов, таких выпускников с удовольствием ждут современные селекционные центры.

Наши студенты станут ведущими учеными в селекционной и генетической сфере через 20 лет. Мы готовим специалистов с расчетом на будущее. Мы готовим не просто таких же, кто умеет то, что умеем мы сами, но тех, кто будет менять будущее, придумывать новые и новые технологии. А для этого нужны глубокие фундаментальные знания, умение ими эффективно пользоваться, умение масштабно и нетривиально мыслить.

— Вы говорили о том, что курс готовили эксперты из ведущих научных центров страны. Получается, участники этой интенсивной программы в одном месте получают все лучшие компетенции в области агрогенетики?

 Да, мы стараемся сделать так, чтобы в одном месте можно было получить сконцентрированные лучшие знания и навыки в этой сфере. К нам приезжают студенты из разных регионов, многие хотят остаться у себя и дальше приносить пользу своей малой родине. Они приезжают к нам на модуль дополнительного образования или поступают в магистратуру «Сириуса», а дальше они возвращаются в свои регионы, чтобы применить знания там. В этом главная идея «Сириуса» — работа на всю страну.

В Научно-технологическом университете «Сириус» стартовал новый образовательный курс, посвященный редактированию геномов растений. Студенты из 15 вузов России приехали в Сириус на две недели, чтобы получить самые актуальные теоретические и практические знания в области инженерии растений.


Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram