Читать книгу От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день - Группа авторов - Страница 9

Одним из самых молодых направлений работы для селекционеров стали подходы эпигенетики – науки об управлении работой генов[23]. Дело тут в том, что производство белков внутри клеток зависит не только от самой ДНК, но и от множества других факторов. Это значит, что свойства организмов могут меняться даже тогда, когда их ДНК остается прежней, а меняется лишь эффективность ее считывания. Конечно, ученым хочется овладеть методами такого влияния на геном. Это даст возможность получать лучшие образцы растений без изменения последовательности нуклеотидов в ДНК.

Как это работает? Представим, что вам нужно перед экзаменом повторить конспект, но времени у вас на это пять минут, не больше. За такой срок все лекции никак не прочесть, поэтому вам остается сосредоточиться на главном – на тех абзацах, что вы сами выделили маркером или красивой закладкой. Так и живая клетка производит те белки, чьи гены открыты для считывания. Только «закладками» в ее конспекте служат не цветные наклейки, а, например, метильные группы (CH₃–), и отмечает она ими не самое важное, а то, что читать не нужно[24]. Когда ДНК метилируется, обзаводясь новыми «украшениями» в виде CH₃-групп, фермент, отвечающий за постройку мРНК, не узнает ее и не может найти начало кода, откуда следует читать. А нет мРНК – нет и белка. Получается, что ген есть, но он как бы выключен.

Метилирование ДНК у растений и животных – вполне естественный процесс. И что интересно, он не всегда работает как выключатель. Иногда после метилирования определенных участков генома синтез белков, наоборот, резко возрастает (тогда молекулярная «закладка» работает так же, как и бумажная: помогает найти нужную строчку). Люди и это научились использовать: изменяя метилирование ДНК, можно увеличить активность генов, отвечающих за производство растением запасных белков, в том числе увеличить «белковость» зерна пшеницы. Снижение уровня метилирования приводит также к наследуемому признаку карликовости у риса. Карликовый рис хорош тем, что не прилегает к земле.

Теперь предположим, что ген у нас вполне рабочий. Но и тут совсем не обязательно его прочтение закончится синтезом белка. Как мы помним, превращение последовательности ДНК в белок – это своеобразная система двойного шифрования: на основе ДНК сперва создается молекула матричной РНК, а уже она становится образцом для сборки протеина. И вот эта матричная РНК может быть разрушена в цитоплазме клетки до того, как ею воспользуются[25]. Называют это явление посттранскрипционным молчанием (ген замолкает уже после того, как произошла транскрипция – изготовление клеткой мРНК). Эта ситуация часто возникает сама по себе, когда ученые привносят в ДНК растений дополнительные гены. ДНК меняется, но вставленный ген не работает – его продукт разрушается, не дойдя до состояния готовности. Впервые молчание генов у генетически измененных организмов описали еще в 1990 г. Тогда введение в геном петунии дополнительных генов, отвечающих за красную окраску цветков, неожиданно снизило количество красного пигмента в растении.

Казалось бы, для селекционера в этом нет никакой выгоды. Но затем выяснилось, что посттранскрипционное молчание можно использовать для создания растений, устойчивых к растительным вирусам. Тогда механизм замолкания генов будет направлен против чуждых растению вирусных мРНК. А если заставить молчать те гены, которые производят ненужные белки, получатся новые перспективные сорта. Используя механизмы разрушения мРНК, можно снизить в кофе содержание кофеина[26], а в табаке – никотина[27]. Есть и более амбициозные проекты. Например, генетики испанского Института сельского хозяйства в Кордове смогли почти полностью очистить пшеницу от глиадина – компонента глютена, из-за которого у некоторых людей возникает иммунная реакция.

Нужно сказать, что, когда биологи прибегают к посттранскрипционному молчанию, они обычно используют и CRISPR/Cas9. То есть чуть-чуть изменить ДНК растений все же приходится[28]. Например, чтобы целевая мРНК разрушалась, на нее можно натравить уже присутствующие в растениях для собственных нужд малые интерферирующие РНК. За их производство отвечают некодирующие участки генома, которые и подвергаются доработке. Как мы увидим дальше, генетики вообще любят использовать не один, а несколько инструментов сразу.

Что еще могут геномные технологии

Несмотря на то что селекция за последние 30 лет сильно изменилась, в ней используются и традиционные методы получения новых сортов или растений с нужными характеристиками. Только теперь они сосуществуют с геномными технологиями.

Взять хотя бы прививку. Это давно известный способ размножения растений, с которым повсеместно сталкиваются садоводы-любители. В ходе прививки стебель одного растения – привой – пересаживают на корень или стебель другого – подвой (рис. 7).

Рис. 7. Прививка растения

Главное – соединить части растений так, чтобы их ткани плотно прилегали друг к другу. Тогда со временем они срастутся и из нескольких разных растений получится одно.

Используют прививку чаще всего для того, чтобы объединить свойства двух разных видов. Как правило, привой от культурного растения с хорошими плодами соединяют с подвоем дикой разновидности, которая гораздо более устойчива к различным болезням и вредителям. Или, если в саду мало места, можно привить к одной яблоне ветки разных сортов и даже ветку груши. Тогда садовод будет собирать с одного дерева разные плоды.

И все же главной задачей прививки остается улучшение здоровья культурных насаждений. Так, в конце XIX в. прививка помогла сберечь европейские сорта винограда от нашествия филлоксеры – микроскопической тли, поедающей виноградные корни. Ее завезли в Европу из Северной Америки. Местные виноградари долго не могли понять, отчего страдают их хозяйства. Только в 1868 г. вредитель был установлен. Но мало было найти тлю – требовалось ее обезвредить. Тем более что нашествие филлоксеры по масштабам было нешуточное. Каждая тля может за раз отложить до 800 яиц, а за сезон насекомое воспроизводится пять-шесть раз. Выдержать такой натиск могли далеко не все, многие виноградники погибли.

Долгое время попытки бороться с филлоксерой оставались безуспешными. Не помогали ни протравление почв, ни временное затопление ферм. Отрасль испытывала большие трудности и вполне могла бы не оправиться от удара, если бы не идея привить европейский культурный виноград Vitis vinifera на дикий североамериканский – Vitis labrusca, давно знакомый с вредителем, а потому устойчивый к нему[29]. Тактика оказалась крайне эффективной и до сих пор остается единственным действенным способом избавиться от виноградной тли, не считая разве что посадок в районах с песчаными почвами. Хорошо защищены от филлоксеры не только привитые сорта, но и гибриды, имеющие виноград Vitis labrusca в родителях. Один из них, «изабелла», очень популярен в домашних хозяйствах в России и в жарких странах. Он неприхотлив и отлично растет как в холодном, так и в тропическом климате. А вот в Европе продажа вин из «изабеллы» запрещена везде, кроме Швейцарии. Официальная причина – излишнее количество токсичного метанола, накапливающееся в них в ходе брожения. Есть, однако, мнение, что правительство ЕС, запретив «изабеллу», пошло на уступки местному винодельческому лобби, которое боялось конкуренции и было заинтересовано в продвижении своих классических сортов.

Иногда результат прививки очень похож на ГМО. Например, в одной из серий мультсериала «Симпсоны» Гомер занимался разведением «томака» – генетических помидоров-мутантов, содержащих никотин[30]. При этом растения томата практически с такими же свойствами были получены в США в 2003 г. – путем прививания. Пробы показали наличие в «томаке» никотина, но не в плодах, а в листьях[31].

Казалось бы, если ДНК подвоя и привоя в ходе прививки не меняется, почему химический состав привоя может измениться? Все просто. Привой и подвой, сливаясь в единый организм, обмениваются веществами друг с другом. Поэтому, если вы привили ветку скороспелой яблони к позднеспелому сорту, срок созревания привоя может заметно сдвинуться. Не исключено, что изменятся также другие характеристики: сила роста или размер плодов.

Для прививки можно использовать и генетически измененный подвой. При этом технически плоды с таких растений не будут ГМО, ведь их ДНК останется такой же, как была, а все новые признаки не станут наследоваться при размножении семенами. Метод прижился в одном из самых востребованных направлений, где геномные технологии проявляют себя во всей красе. Это fast-track breeding, или ускоренное скрещивание.

Подходы этой категории призваны сокращать сроки селекции тех культур, цикл размножения которых чересчур долог. Только подумайте: чтобы дерево дало плоды, его нужно выращивать несколько лет[32]. Это означает, что после получения каждого гибрида селекционер вынужден годами ждать хотя бы того, чтобы можно было оценить результат работы. А если потребуется провести еще несколько последовательных скрещиваний, выведение нового сорта может занять и 30 лет.

Чтобы исправить положение, как нельзя лучше подходит прививка на ГМ-подвой с усиленно вырабатываемыми генами цветения. Тогда из корневища к листьям будут поступать специфические белки, запускающие механизм взросления, и привой начнет цвести гораздо быстрее (рис. 8Б).

Чуть более радикальный способ приблизить сроки цветения и плодоношения, тем самым ускорив получение нового сорта, – изменить ДНК растения, но лишь временно (рис. 8А). Ген быстрого цветения можно ввести в исходный сорт, а на последнем этапе селекции – вывести. Для этого используют возвратное скрещивание, когда гибрид объединяют с родительским растением.

Рис. 8. Различные методики скрещивания растений: А – использование ускоренного и возвратного скрещиваний для получения устойчивого к заболеванию гибрида; Б – прививка на ГМ-растение

Наконец, сократить время работы селекционерам помогает простое умение читать ДНК. Анализируя геном молодых ростков, можно не ждать, когда те повзрослеют и дадут урожай, а сразу отбирать лучшие. А чтобы понять, насколько растение устойчиво к патогену или гербициду, необязательно проводить полевые испытания, достаточно просто подтвердить наличие нужных элементов генома в пророщенном семечке.

Селекцию, при которой растения выбираются исходя из их генетических показателей, называют маркер-вспомогательной, потому что главную роль в ней играют короткие последовательности ДНК – молекулярные маркеры, наследуемые вместе с ценными признаками. Ученые берут у растений небольшой образец листа, ищут эти маркеры и затем делают выводы о наличии или отсутствии у них ценных признаков в будущем. Сейчас это уже рутина. А в последние годы, со снижением цен на маркерное детектирование, площадь применения такой технологии расширилась еще больше. Теперь ее используют не только для создания новых сортов, но и для определения качества семян. Например, фермеры могут сдать в лабораторию новый семенной материал и проверить его принадлежность к дорогим элитным сортам. Или же проанализировать собственные семена, прошедшие несколько циклов культивирования, чтобы оценить степень расщепления генов (снова вспоминаем второй закон Менделя) и понять, можно ли их сажать снова без потери урожая.

Получается, даже если оставить в стороне ГМО, геномные технологии все глубже внедряются в сельское хозяйство. От секвенирования (расшифровки) ДНК отдельных организмов ученые со временем перешли к сбору и анализу данных о геномах множества растений одного вида или разных сортов. Эти данные, в свою очередь, сравниваются с результатами анализа транскриптомов – всех синтезируемых организмами мРНК, протеомов – всех белков, метаболомов – всех метаболитов. Объемы обрабатываемой информации растут, а методы работы совершенствуются.

Такой комплексный подход в перспективе поможет еще больше узнать о хранении и передаче генетической информации у растений. Перед селекционерами стоят важные задачи[33]. Во-первых, они хотят научиться предсказывать урожайность новых сортов и их реакции на внешние стрессы. Умея прогнозировать, человек сможет разрабатывать растения для использования в будущем, скажем, через 50 лет, когда климат станет более жарким, изменятся ареалы насекомых и животных, появятся новые фитопатогены[34]. Перспективы выращивания известных растений пересматривают уже сейчас. Так, многим специалистам злаком будущего представляется сорго. Оно способно добывать воду из глубоких слоев почвы и экономить влагу, что делает его чрезвычайно засухоустойчивым. К тому же сорго не привередливо к почвам и отлично растет на жаре.

Во-вторых, сегодня все чаще говорят о новом витке одомашнивания диких видов. Идея в том, чтобы выбрать наиболее приспособленные и живучие и заново вывести из них культуры, дающие вкусные плоды и большой урожай[35]. В процессе селекции мы раз за разом выбирали одни варианты растений, упуская из виду другие, которые теперь могли бы пригодиться. Вернувшись к геномам диких предков тех растений, с которыми мы работаем сейчас, можно найти более удачные генетические вариации с точки зрения устойчивости сортов к экстремальным температурам или засухам[36].

В любом случае геномные технологии продолжат и дальше менять растениеводство. Даже если люди вдруг откажутся от генетической инженерии и запретят всю модифицированную сою, у ученых останется еще очень много забот. Хотя такой вариант развития событий маловероятен. Создание новых сортов с измененной ДНК – слишком заманчивая идея, от которой трудно отказаться. Тем более что генная инженерия порой оказывается единственным выходом для решения насущных проблем рынка. Однажды она уже спасла гавайскую папайю, а в скором времени ее помощь может понадобиться и другим фруктам. На Филиппинах в ближайшие годы, вероятно, начнут расти генетически измененные бананы, устойчивые к опасной болезни Tropical race 4, вызываемой грибком Fusarium oxysporum f. sp cubense. В 2023 г. разработавшая их компания Tropic Biosciences из Великобритании уже прошла одобрение в этой стране с другим продуктом – бананом, который не темнеет во время хранения[37]. Апельсины в будущем тоже могут получить улучшенную ДНК. Индустрии пригодятся сорта, невосприимчивые к гринингу – бактериальной инфекции, из-за которой плоды цитрусовых не вызревают, оставаясь маленькими, зелеными и слишком горькими, чтобы продавать их в розницу. Зеленые апельсины опадают с больных деревьев, которые теряют листья, плохо растут, а через несколько лет после заражения и вовсе погибают. В США фермеры называют грининг убийцей апельсинов. Во Флориде объемы их производства упали на 75% с 2005 г., когда инфекция была зарегистрирована там впервые. Страдают от грининга сады и в других регионах: в Бразилии, Юго-Восточной Африке, Индии и Китае, где о нем было известно с начала прошлого века. Заболевание распространяется с насекомыми-листоблошками, а эффективных способов лечения посадок по-прежнему нет (хотя есть методы сдерживания, например, с помощью инъекций антибиотиков).