От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день - Анастасия Волчок

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