Человечество столкнулось с обеднением рациона, и это несет в себе угрозу дефицита необходимых микроэлементов и даже угрозу голода, если та или иная широко распространенная культура подвергнется атаке болезней или вредителей. Современная генетика ищет пути предотвращения таких угроз — в первую очередь за счет улучшения качества сортов культурных растений путем активации отдельных генов либо направленного создания мутаций в сортах

Повысить урожайность пшеницы можно за счет того, что зерно будет дольше набирать питательные вещества, наливаться, увеличивая массу

Улучшенные сорта будут отличаться от привычных по различным значимым характеристикам. Например, повысить урожайность пшеницы можно за счет того, что зерно будет дольше набирать питательные вещества, наливаться, увеличивая массу. Можно замедлить естественное усыхание листьев в период созревания зерновых и тем самым увеличить срок накопления питательных веществ в зерне. А в зерне ячменя, например, можно повысить содержание флавоноидов, столь необходимых для предотвращения преждевременного старения. При этом чужеродные гены для получения полезных признаков российские ученые в геномы растений не вносят. Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова (ВИР) совместно с научными организациями-партнерами ведет исследования, направленные на улучшение сортов важнейших сельхозкультур, «включая» или «выключая» отдельные гены и «копируя» мутации из одного сорта в другой. Все исследования такого рода сейчас ведутся исключительно в лабораторных условиях. 

Елена Хлесткина, профессор РАН, директор Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И.Вавилова

ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

Профессор РАН, директор Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова Елена Хлесткина рассказала «Стимулу», что, выбирая методы генетического редактирования, ученые могут пойти двумя путями — нокаутировать, то есть «выключать», какой-то ген и связанные с ним свойства либо, наоборот, восстанавливать его действие. По ее словам, найти ген с негативной регуляторной функцией и «выключить» его гораздо проще и многие научные группы в мире выбирают именно этот путь. Ученые ВИРа идут не только по пути нокаута генов — негативных регуляторов, но и работают над восстановлением функций ценных генов. «Нам удалось из образцов, в которых не шел синтез флавоноидных соединений антоцианов (антоцианы отвечают за окраску различных частей растения от красноватой до фиолетовой и темно-синей, при употреблении в пищу содержащих их ягод, плодов и семян уменьшают ломкость и проницаемость капилляров, препятствуют развитию деменции, нормализуют сахар в крови, улучшают обмен веществ в организме и его способность к адаптации к смене сезонов года. — “Стимул”), добиться того, чтобы синтез пошел, функция восстановилась», — говорит Елена Хлесткина.

В настоящее время в работе у российских ученых несколько таких проектов. Идут исследования по увеличению содержания одного из видов крахмала — амилозы — у гороха, предназначенного для консервирования, это существенно улучшит потребительские свойства культуры. Растениям вигны (травянистое цветковое растение семейства бобовых, близкий родственник фасоли) ученым удалось придать компактную форму, что очень важно при механизированной уборке.

Другое направление исследований посвящено повышению урожайности пшеницы за счет отсрочивания процесса увядания биомассы, чтобы зерно дольше продолжало получать и накапливать полезные вещества.

Одновременно ведутся работы по повышению устойчивости сельскохозяйственных растений к неблагоприятным условиям окружающей среды и болезням.

Эти исследования объединены проектами «Хлеба России» и грантом Российского научного фонда, в которых участвуют ученые ВИРа совместно с коллегами из других научных организаций. Оба проекта направлены на создание с использованием генетических технологий и изучение новых линий растений, адаптированных к меняющимся условиям окружающей среды, обладающих повышенной продуктивностью и диетической ценностью.

«Важно соединить в этих работах компетенции разных специалистов, начиная с селекционеров, которые занимаются постановкой задач: какие сорта и какие культуры желательно было бы улучшить по отдельным признакам», — пояснила Елена Хлесткина. Она считает первоначальный этап научной работы крайне важным: «Нужно точно выбрать гены-мишени, чтобы исследования были приоритетными». Ведь сейчас в мире подобная работа ведется более чем по 30 культурам и по примерно 300 различным генам.

Когда выбор сделан, к работе подключаются молекулярные генетики. Они идентифицируют нужные гены и определяют, чем они отличаются у сортов выбранной культуры. После этого в дело вступают генные инженеры — разрабатывают конструкции для редактирования генов.

Когда редактирование завершено, проводится комплексное исследование полученных растений. Изучаются молекулярно-генетические механизмы формирования хозяйственно-ценных признаков, физиологические и биохимические свойства. «Комплексный анализ позволяет выявить, не несет ли созданная мутация каких-либо неблагоприятных последствий. На данный момент ни в одном из наших исследований такие последствия не выявлены, — комментирует Елена Хлесткина. — Важно также установить, не появился ли в результате генетического редактирования какой-то положительный эффект, кроме ожидаемых. К примеру, предварительно установлено, что мутация в одном из генов, связанных с метаболизмом липидов, улучшает устойчивость ячменя к стеблевой ржавчине». 

Булат Кулуев, доктор биологических наук, заведующий лабораторией геномики растений Института биохимии и генетики Уфимского федерального исследовательского центра РАН

БЕСКОНЕЧНОЕ ЧИСЛО СОЧЕТАНИЙ ПОЛЕЗНЫХ СВОЙСТВ

В России этим направлением исследований занимаются несколько научных групп, работы по различным культурам находятся на разных этапах готовности. Например, в исследованиях по ячменю, которые ведутся в проектах ВИРа с партнерами, уже получены модифицированные нетрансгенные линии второго и третьего поколений. Полезное свойство заключается в накоплении биологически активных флавоноидных соединений в различных частях растений. Если они накапливаются в зерне, то повышают его ценность для рационального питания, а если в других частях растения — обеспечивают его устойчивость к засухе, холоду и другим стрессам.

Работу с ячменем ведут партнеры ВИРа — сотрудники лаборатории популяционной радиобиологии Института экологии растений и животных Уральского отделения РАН. После того как генетики «выключили» два гена, ответственные за синтез воска, экологи приступили к тестированию полученных линий в лабораторных условиях на устойчивость к разным стрессовым воздействиям. «Мы уже протестировали растения на устойчивость к острому гамма-облучению, к засолению, засухе, низким температурам и тяжелым металлам», — рассказала «Стимулу» кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории Елена Антонова.

В Институте биохимии и генетики Уфимского федерального исследовательского центра РАН в 2023 году получили первое поколение редактированных растений мягкой пшеницы, устойчивых к мучнистой росе и к фузариозу (распространенное грибковое заболевание растений). Изменение других генов-мишеней привело к повышенной засухоустойчивости, укорачиванию стебля, пониженной аллергенности. Планируется также создать линию пшеницы, устойчивой к прорастанию зерна в колосе, рассказал доктор биологических наук Булат Кулуев, заведующий лабораторией геномики растений Института биохимии и генетики.

В лаборатории постгеномных исследований ВИРа идет работа по выявления молекулярно-генетических механизмов, определяющих тип роста спаржевой вигны в условиях повышенной влажности. Для таких растений, как пояснила «Стимулу» научный сотрудник лаборатории Екатерина Крылова, характерно дружное созревание бобов, они пригодны для механизированного возделывания, приспособлены к механизированной уборке, а также устойчивы к полеганию.

Все эти работы не выходят за пределы лабораторий и растительных камер. Тем не менее полученные линии представляют собой ценный материал для селекции, и в случае изменения законодательства в отношении редактированных растений, которые не несут чужеродных генов, созданные линии войдут в селекционные программы и будут задействованы и в полевых экспериментах.