От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день - Анастасия Волчок
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).
Как еще биотехнология меняет растениеводство
Кроме создания новых суперсортов овощей или злаков биотехнология в растениеводстве делает много чего полезного. Ученые постоянно придумывают, как изменить индустрию, чтобы она не только могла накормить растущее население Земли, но и меньше влияла на биосферу, то есть становилась более устойчивой. Они действуют заблаговременно, разрабатывая стратегию развития, которая могла бы позволить производителям с уверенностью смотреть в завтрашний день. Одни проекты нацелены на упразднение опасных для природы химикатов, другие – на сохранение биоразнообразия, помощь насекомым или почвенным микроорганизмам.
Так чем же заняты в своих лабораториях биологи, посвятившие жизнь выращиванию растений?
Создают биоудобрения и биологические средства защиты урожая
Ежегодно в мире используется более 3,5 млн т пестицидов[38]. Инсектициды, гербициды и фунгициды – любимое оружие садоводов против насекомых, сорняков, вредных грибков и бактерий. Они защищают сельскохозяйственные культуры от вредителей и болезней, повышают эффективность сельского хозяйства и тем самым заметно снижают стоимость продуктов.
Поскольку использовать агрохимикаты крайне выгодно, они применяются повсеместно. Однако у такого способа ведения сельского хозяйства есть и оборотная сторона: экономика впадает в настоящую зависимость от пестицидов. Аппетиты человечества все время растут, значит, и химикатов аграриям нужно все больше. Кроме того, фермеры вынуждены все время повышать концентрации веществ либо переходить на новые препараты из-за адаптации вредителей и фитопатогенов к старым ядам[39].
При этом ни для кого не секрет, что пестициды несут не только пользу, но и вред. Негативные последствия их использования стали очевидны после широкого распространения препаратов второго поколения, таких как ДДТ, органофосфаты и пиретроиды. Доказано, что современные пестициды вредят насекомым-опылителям (к чему мы еще вернемся)
