http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=24e8e8de-10d0-45c9-b504-7c287bc862d3&print=1© 2024 Российская академия наук
Трансгенные осины и берёзы, созданные учёными Пущинского филиала Института биоорганической химии РАН, планируется высадить этой весной на опытных площадях севера или средней полосы России. Полевые испытания генно-модифицированных деревьев — с более качественной древесиной и ускоренным темпом роста — продлятся около трёх лет.
Исследования, связанные с созданием трансгенных растений, во всём мире вызывают массу споров. Экологические организации добиваются запрета на их выращивание, утверждая, что распространение трансгенов приведёт к необратимым изменениям экосистемы. Некоторые эксперты прогнозируют, что генно-модифицированные растения станут в некотором роде биологическим оружием, а их мутации негативно скажутся на здоровье человека. Ситуация обостряется плохой осведомлённостью населения: одно слово «трансгенный» многие до сих пор воспринимают со страхом.
Константин Шестибратов: «Древесные породы — самые сложные и капризные объекты для работы in vitro, выращивания на искусственных средах»
А между тем первое генетически модифицированное дерево было получено ещё в 1987 году, и уже через пару лет в США, Франции и Бельгии проводились полевые испытания этой культуры. Примерно в те же годы в России также предпринимались попытки создать трансгенные растения. Потом случились политические и финансовые катаклизмы и только сейчас учёные-биологи вновь вернулись к этой теме. Сегодня исследования в данной области проводятся в нескольких профильных институтах. Лидирующие позиции в сфере биотехнологии древесных растений занимает академический Институт биоорганической химии им. академиков М. Шемякина и Ю. Овчинникова (ИБХ РАН). На протяжении многих лет здесь развивалось направление сельскохозяйственной биотехнологии — создавались трансгенные формы томатов, земляники, груши и других культур. А с 2006 года в самостоятельное направление оформились лесные биотехнологии, тогда же на базе Пущинского филиала была создана группа с одноимённым названием.
Спасение лесов — в трансгенах
По мнению учёных из группы лесной биотехнологии ИБХ РАН, создание трансгенных деревьев — это наиболее эффективный и быстрый способ создания новых продуктивных форм древесных растений и воспроизводства с их помощью лесов.
Мировые площади лесов ежегодно сокращаются на 9,5 миллионов гектаров. Это связано и с прессингом человека на окружающую среду, и с «сюрпризами» эволюции, изменением климата. Нынешние лесные массивы Европы не сравнить с теми, что были лет 200 назад: от некогда дремучих лесов осталась лишь лесостепная зона. Многочисленные дубравы находятся на грани исчезновения: дубы болеют грибковыми заболеваниями. Аналогичная ситуация произошла когда-то с американским каштаном, который ещё в прошлом веке был очень распространён. Но появившийся грибок (крифонектрия) поразил 99 процентов породы, и американский каштан фактически исчез с лица земли.
«Из-за того, что деревья растут медленно, для быстрого восстановления лесов требуются принципиально иные методы, нежели использовались раньше, — считает руководитель группы лесной биотехнологии ИБХ РАН Константин Шестибратов. — Если в сельском хозяйстве ещё можно с помощью традиционного скрещивания за год получить поколение гибридов F-1, у которых продуктивность будет намного выше, то с деревьями таким образом проблему не решить: требуются десятилетия, а то и века. Поэтому приходится выбирать те инструменты, которые дают сравнительно быстрый результат. На сегодняшний день этим инструментом могут быть трансгенные технологии».
Европейскую часть России целесообразно использовать под плантации, на которых будут разводить трансгенные формы деревьев — с ускоренным темпом роста и более ценной древесиной. На сегодняшний день подобные посевные площади составляют в мире не более пяти процентов от всех лесов. При этом они дают 25 процентов от общемирового объёма древесины. То есть плантации продуктивнее в пять раз. Если будут развиваться трансгенные лесные плантации, то естественные породы удастся уберечь от вырубки.
Справка STRF:
Генная инженерия растений в отличие от обычной селекции, при которой перенос генов осуществляется только между близкородственными особями, позволяет перенести гены из любого организма. Растения с «чужими» генами приобретают устойчивость к гербицидам, вредителям и патогенам, их плоды способны долго храниться при комнатной температуре, имеют повышенную питательную ценность. Древесные капризничают
Попасть в святая святых лаборатории лесной биотехнологии — бокс-фитотрон, где выращивают трансгенные растения, мне и фотографу разрешают только в бахилах и белых халатах. В небольшом помещении расположены многоярусные стеллажи, заставленные специальными контейнерами, где растут микрорастения (максимальная вместимость лаборатории — 50 тысяч экземпляров). В боксе-фитотроне поддерживается строгий температурный режим — 20—22 градуса и световой — в зависимости от поставленных задач под каждый объект устанавливается свет особой интенсивности.
«Древесные породы — самые сложные и капризные объекты для работы in vitro, выращивания на искусственных средах, — говорит Константин Шестибратов. — Поэтому необходимо тщательно соблюдать все требования к их культивированию».
Нынешние лесные массивы Европы не сравнить с теми, что были лет 200 назад: от некогда дремучих лесов осталась лишь лесостепная зона. Всего же в мире площади, занятые лесами, ежегодно сокращаются на 9,5 миллионов гектаров Трансгенные растения в лабораторных условиях растут в течение месяца в особой питательной среде, содержащей все необходимые макроэлементы: азот, фосфор, калий, а также сахара и активаторы роста. Для создания трансгенов учёные используют метод агробактериальной трансформации. В качестве исходного материала используются ценные формы, сорта и гибриды лесных пород.
«Успех при создании трансгенных растений на 90 процентов обеспечивается выбором новых генов, — говорит руководитель группы лесной биотехнологии. — Эта задача крайне сложная, учитывая, например, что биосинтезом древесины управляет около 40 тысяч генов, а нам нужно выбрать один. На практике выбираются те из них, которые ранее анализировались и функция их предварительно известна. Обычно срабатывает только каждый второй ген из выбранных. Используется несколько подходов, чтобы оказалось больше шансов вывести перспективную форму лесной породы».
В боксе-фитотроне, где выращивают трансгенные растения, поддерживается строгий температурный режим (20—22 градуса) и световой — в зависимости от поставленных задач под каждый объект устанавливается свет особой интенсивности
Для каждого вида лесной породы учёные создают несколько десятков трансгенных форм. Подготовленные в лабораторных условиях партии растений высаживают в теплицы, а затем на опытных полях. В ходе испытаний устанавливается, какие из полученных культур являются перспективными для промышленного размножения.
В идеальном варианте трансгенные растения вырастают той же лесной породы, генетический материал которой использован для размножения. В худшем варианте — при нарушениях в технологии — появляются отклонения.
То берёзка, то осина
В Пущинском филиале ИБХ РАН создают трансгенные экземпляры нескольких видов лесных пород, преимущественно лиственных — осин и берёз, которые интересны учёным как быстрорастущие деревья.
«Осина лидирует по скорости роста, а также по среднегодовому приросту объёма биомассы, — говорит Константин Шестибратов. — Кроме того, для большей части территории России и в целом для Евразии осина имеет наибольший ареал распространения». В средней полосе России осина вырастает максимум за 25-30 лет. Учёные ставят задачу сократить этот период в полтора раза — до 15-20 лет (проект осуществляется по заказу Рослесхоза). На данном этапе в лабораторных условиях удалось добиться 15-процентного ускорения. Соответствующая партия трансгенной осины подготовлена к высадке в теплицу. За три месяца саженцы достигнут там высоты в полметра, после чего их можно будет поместить в грунт.
Берёза стала объектом для изучения учёных не только из-за быстрого роста, но и потому что является основным сырьём для создания фанеры. Кроме того, из древесных пород береза чаще других оказывается поражённой патогенами. Например, в средней части России, по словам Константина Шестибратова, исходные леса по большей части вырублены, а из порослевых не получить полноценной товарной древесины: все берёзы тонкие и кривые, поэтому годятся разве что на дрова.
«Наша задача: в полевых испытаниях отобрать те экземпляры деревьев, которые будут обладать наилучшими качествами, — говорит Константин Шестибратов. — Для культивирования используются уже селекционно отобранные деревья — наиболее продуктивные и устойчивые к патогенам. Именно с такими деревьями мы работаем и улучшаем их свойства».
Уже этой весной планируется первая высадка трасгенных деревьев на опытных полях Нижегородской или Ленинградской областях (пока точное место уточняется), поскольку группа лесной биотехнологии ИБХ РАН сотрудничает с одним из передовых лесхозов России — нижегородским Семёновским спецсемлесхозом, а также с Санкт-Петербургским НИИ лесного хозяйства. Для научных целей желательно охватить оба региона: северный и средней полосы России.
В средней полосе России осина вырастает максимум за 25-30 лет. Учёные ставят задачу сократить этот период до 15-20 лет. На данном этапе в лабораторных условиях удалось добиться 15-процентного ускорения роста. Соответствующая партия трансгенной осины подготовлена к высадке в теплицу
«Наращиваем» целлюлозу
С разработкой трансгенных деревьев у группы лесной биотехнологии ИБХ РАН связан ещё один серьёзный проект, выполняемый в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы», целью которого является улучшение качества древесины за счёт повышения количества в ней целлюлозы.
Главным технологическим процессом в целлюлозно-бумажной промышленности является выделение и очистка целлюлозы от лигнина. «Древесина — это природный комплекс, который можно сравнить с системой сложно сообщающихся сосудов: если где-то убыло, то где-то обязательно прибудет, — говорит Константин Шестибратов. — Если мы уменьшаем количество лигнина, то увеличивается доля целлюлозы. Именно на это направлен наш проект. Но полностью от лигнина избавиться нельзя — он придаёт древесине прочность и защищает её от гнили, патогенов. Поэтому важно установить разумный баланс».
Учёные планируют добиться максимально допустимого сокращения лигнина — с 25 процентов до 10-15, что увеличит содержание целлюлозы до 50-55 процентов. При изменяющемся соотношении целлюлозы и лигнина древесные породы становятся мягче. Для целлюлозно-бумажной промышленности в этом явные преимущества — более рыхлая древесина легче перерабатывается.
Кроме сокращения содержания лигнина, существует и другой способ улучшения качества древесины, который связан с модификацией состава лигнина. Некоторые формы этого природного полимера ковалентно связаны с целлюлозой, так что удалить их обычными химическими способами чистки крайне сложно. А также есть такие, которые быстро растворимы и легко удаляются. Соотношение разных видов лигнина можно попытаться изменить.
Учёные Пущинского филиала ИБХ используют оба подхода — с одной стороны, сокращают количество лигнина, с другой — стремятся повлиять на сам процесс биосинтеза данного полимера, чтобы увеличить долю его легко экстрагируемых модификаций. «Трансгенные технологии позволяют создавать такие модификации деревьев, которые заточены под определённую задачу, — говорит Константин Шестибратов. — Если мы уменьшаем количество лигнина, то повышаем не только долю целлюлозы, но и ускоряем рост деревьев — биосинтез этого полимера самый энергозатратный процесс. А если мы наоборот, увеличиваем долю лигнина, то состав древесины, например, сосновой или берёзовой, можно приблизить к дубу. Такие породы будут меньше гнить, но и медленнее расти».
Трансгенные технологии позволяют создавать такие модификации деревьев, которые заточены под определённую задачу. Если уменьшить количество лигнина, то повысится доля целлюлозы, а также ускорится рост деревьев. А если увеличить содержание лигнина, то состав древесины, например, сосновой или берёзовой, можно приблизить к дубу. Такие породы будут меньше гнить, но и медленнее расти
Со следующего года учёные планируют приступить к полевым испытаниям полученных трансгенных деревьев. Обычно такие испытания проводятся по крайней мере года три, чтобы получить образцы древесины с открытого грунта (не лабораторные и тепличные) и собрать необходимые данные о свойствах древесины (к примеру, больше или меньше в ней целлюлозы). Если полевые данные подтвердят лабораторные, тогда можно переходить к более масштабному проекту, направленному либо на совершенствование требуемого показателя, либо на организацию опытного производства — закладывать плантацию и выращивать эти деревья для промышленных целей.
Константин Шестибратов: «Наша задача: в полевых испытаниях отобрать те экземпляры деревьев, которые будут обладать наилучшими качествами. Для культивирования используются уже селекционно отобранные деревья — наиболее продуктивные и устойчивые к патогенам»
Безграмотность или заказная политика?
Научные исследования, связанные с трансгенными растениями, хотя и имеют ярко выраженный прикладной характер, но пока в большей степени ограничены пределами лабораторий. Законом от 1992 года об инженерно-технической деятельности разрешается доводить исследования по трансгенам до полевых испытаний, а широкое их внедрение находится под запретом. Как скоро его снимут — неизвестно, хотя соответствующие поправки к закону сейчас готовятся.
«В мире уже есть прецеденты коммерческого использования таких растений, например, в США, Канаде, Бразилии, Аргентине, Китае, — рассказывает Константин Шестибратов. — В общей сложности на площадях свыше 100 миллионов гектаров в коммерческих целях выращиваются кукуруза, соя, рапс, хлопок и другие культуры. Интересен тот факт, что в области коммерциализации трансгенных лесных пород лидирует Китай, но в США площади в статусе участков для проведения полевых испытаний превышают коммерческие плантации Китая. Так что американцам ничего не стоит в любой момент перевести полевые испытания на коммерческую основу. Мы, в свою очередь, можем создавать и совершенствовать трансгенные формы растений. Это нужно делать хотя бы для того, чтобы к тому моменту, когда решится проблема с легальностью этого процесса в производственной части, Россия не оказалась у разбитого корыта».
Уникальность лесной сферы такова, что породы деревьев, выросших в определённом регионе, имеют свою специфику. Полученные за границей формы не будут приспособлены к российским условиям. Если сажать нерайонированные культуры, которые завезены из других стран и, соответственно, не имеют устойчивости к патогенам нашей территории, к её климатическим и почвенным условиям, то риски очень велики при закладывании плантаций на 50 лет. Поэтому важно работать с теми породами деревьев, которые распространены в конкретном регионе. Именно их модификацией, улучшением свойств и повышением эффективности занимаются учёные Пущинского филиала.
То, что экологи бьют тревогу и пытаются добиться запрета на развитие трансгенных технологий, по мнению пущинских учёных, объясняется проявлением безграмотности или явной заказной политикой. На сегодняшний день ситуация такова, что конкретных доказательств вреда трансгенов нет.
«Никто не спорит, что нужно проводить модификацию на уровне цветения: чтобы трансгенные формы не распространялись, они должны быть стерильными, — говорит руководитель группы лесной биотехнологии ИБХ РАН. — Такие технологии есть. Так что если говорить о промышленном использовании трансгенов, то необходимо применять стерильную форму. Просто этот процесс надо контролировать, и никаких опасных последствий не будет».