ЗА ЖИЗНЬ БЕЗ СТРЕССА!
Стресс подобен цунами. Он обрушивается внезапно, выбивает из нормального состояния, порой разрушает жизнь. Подвержены ему все живые организмы. А выходят победителями в этой схватке сильнейшие. Иными словами, чтобы сделать живой организм стрессоустойчивым, его надо закалить, укрепить, защитить. Идет ли речь о человеке, животном или растении. В этом году коллектив исследователей-биологов начал работать в рамках интеграционного проекта, направленного на изучение механизмов стрессоустойчивости и получения стрессоустойчивых растений.
Л. Юдина, «НВС»
Его координаторы — заведующая лабораторией хромосомной инженерии доктор биологических наук Л. А. Першина и заведующий лабораторией генной инженерии кандидат биологических наук А. В. Кочетов из Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН, заведующий лабораторией вирусологии доктор биологических наук В. И. Малиновский из Биолого-почвенного института Дальневосточного отделения РАН.
 |
| И.И. Шишкин. «Рожь» |
С сибирскими генетиками пойдет разговор о том, какие работы начаты в рамках интеграционного проекта и как далеко уходят замыслы исследователей.
— Что такое стресс — формулировать не будем. Каждый из нас не раз и не два испытывал состояние повышенного нервного напряжения, вызванного каким-то неблагоприятным воздействием. А что, прежде всего, служит стрессом для растения?
Л. А. Першина: Множество факторов! «Недоброжелателей» у растений много. Например, жара, холод, засуха — это абиотические факторы, а вирусы, грибы — биотические. Растения, как и люди, живут в сообществе рядом с другими организмами, которые их могут поражать.
А. В. Кочетов: Причем, если у человека в тяжелых жизненных ситуациях есть варианты, как избежать стресса, животное или птица в поисках воды, например, могут сменить место обитания, то растения лишены этих возможностей. Они должны все переживать на месте и ищут выход из ситуации, используя внутренние резервы.
Засуха, жара, холод приводят растение к двум промежуточным стрессам. Первый — осмотический: у растений меняется осмотическое давление клеточного сока и затрудняется доступ воды из почвы. И второй — оксидативный: при нарушении биохимических процессов идет накопление свободных радикалов. Значит, с наступлением стресса растение должно на время приглушить все метаболические процессы, изменить осмотический потенциал, постараться включить механизмы, чтобы добывать влагу из почвы с помощью законов физики. То есть — бесконечная подгонка метаболизма и других процессов к изменяющимся условиям. Выход один — адаптироваться. Выживают сильнейшие, с хорошим иммунитетом, именно они изначально служат материалом при создании сортов.
Л. А. Першина: И наша задача сделать такими же сильными культурные растения.
Источником генов, контролирующих устойчивость растений к абиотическим и биотическим стрессам, являются дикорастущие растения — сородичи культурных. Перенос этих генов культурным растениям в результате их гибридизации с дикорастущими сородичами может привести к развитию культурных растений, устойчивых к стрессам. На этом основан один из подходов, который мы разрабатываем на примере мягкой пшеницы. Цель — получение растений-доноров, несущих гены, ответственные за устойчивость к различным неблагоприятным факторам среды, в том числе к патогенным грибам (это сейчас очень актуально). Созданные доноры устойчивости затем используются селекционерами при создании новых стрессоустойчивых и высокоурожайных сортов мягкой пшеницы.
— Вопрос дилетанта: почему за столько лет и таким огромным количеством исследователей не созданы сорта тех же злаковых культур на все случаи жизни? Часто мы становимся свидетелями гибели урожая от засухи (сейчас в средней полосе России) и прочих природных катаклизмов?
Л. А. Першина: Во-первых, созданный сорт, даже самый прекрасный, со временем утрачивает свои лучшие качества, так как меняются экологические и климатические условия и появляются штаммы новых патогенов, поражающих растения. Чтобы вывести новый сорт, требуется в среднем полтора десятилетия, а микроорганизмы, поражающие растения, эволюционируют гораздо быстрее.
А. В. Кочетов: Ну и, наконец, не столь часто, но бывают очень сильные стрессы. А это уже новый круг задач, исследований, подходов.
Л. А. Першина: Многие культурные растения, особенно мягкая пшеница, в процессе селекции подвергались однонаправленному отбору. Селекционеры стремились получить высококачественные продуктивные сорта, а в результате утрачивались те первичные гены, которые контролировали устойчивость к стрессам.
— Что в настоящий момент особенно беспокоит исследователей?
— Мировая научная общественность озабочена тем, что появились новые расы стеблевой ржавчины. Зараза пришла из Африки и бурно распространяется вдоль южных границ России.
— Что сотрудники лаборатории хромосомной инженерии злаков делают согласно интеграционному проекту?
— Сотрудники лаборатории во главе с кандидатом биологических наук Людмилой Ивановной Лайковой продолжили начатые под руководством известного генетика Ольги Ивановны Майстренко работы по созданию иммунных линий мягкой пшеницы сорта «Саратовская-29». Он до сих пор широко используется в селекции для создания новых сортов мягкой пшеницы, поскольку характеризуется засухоустойчивостью и высокими хлебопекарными качествами. Но, к сожалению, поражается стеблевой ржавчиной. В результате скрещивания «Саратовской-29» с двумя дикорастущими сородичами пшеницы удалось перенести гены, контролирующие комплексную устойчивость растений к грибным патогенам. Более того, созданные в лаборатории иммунные линии сохранили и лучшие свойства исходного сорта мягкой пшеницы «Саратовская-29».
— Много ли времени потребовалось?
— Работа была начата в 1982 году. Создание иммунных линий на основе отдаленной гибридизации — процесс длительный и сопровождался он отбором цитологически стабильных генотипов, устойчивых к болезням на фоне заражения растений грибными патогенами. Иммунные линии уже вовлечены в селекционный процесс в качестве доноров устойчивости к болезням в Сибирском научно-исследовательском институте сельского хозяйства в г. Омске для получения новых сортов мягкой пшеницы. На основе одной из иммунных линий создан перспективный сорт пшеницы. Посмотрим, как он переживет нынешнее лето. Если выдержит все требования по урожайности и качеству хлеба, то будет передан в Госсортоиспытание.
— То есть интеграционный проект — это возможность в наименьшие сроки достигнуть наибольшего результата?
А. В. Кочетов: Это не первый наш интеграционный проект. И в каждом случае образуется коллектив единомышленников, у каждого свои идеи, предложения, методы. С Лидией Александровной вообще постоянно взаимодействуем — мы вышли из отдела академика Владимира Константиновича Шумного, его научной школы.
Замечу, хоть мысль и не нова, что интеграционный проект помогает каждой из сторон организовать все действия по максимуму, исключить лишние операции, собрать воедино ценные крупицы.
— В вашем случае — получить сорт, какой задумывался изначально?
— Создавать сорта — не наша задача. Вообще говоря, интеграционный проект не направлен на решение конкретной практической задачи. В рамках проекта планируется исследовать молекулярные механизмы, контролирующие стрессоустойчивость растений. Но эту информацию можно использовать для разработки новых способов получения стрессоустойчивых форм — «доноров» для селекционного процесса.
Л. А. Першина: К сведению. Существует международная организация, она базируется в Мексике, в функции которой входит вся работа по улучшению сортов пшеницы и кукурузы. Взять сорта в чистом виде из одного региона и перенести в другой мы не можем, поскольку они не будут адаптированы к нашим условиям. А вот перенести от них отдельные гены отечественным сортам — это возможно.
А. В. Кочетов: Ведь каждый удачный сорт — это некая комбинация аллелей, вариантов генов, которые в совокупности придают ему нужные свойства. Сегодня в области генной и хромосомной инженерии накоплен такой богатый фундаментальный материал, что открываются почти неограниченные возможности для разноплановых операций. Путь селекционера к сорту сокращается во много раз.
Лидия Александровна в своей лаборатории может получать гибриды, сочетающие геномы (и свойства) пшеницы и ячменя, пшеницы и ржи. При этом переносятся части хромосом или целые хромосомы. Дальнейший скрупулезный экспериментальный анализ позволяет определить, какие формы характеризуются устойчивостью к различным видам стресса. Это — одна из фундаментальных задач генетики растений. Но полученные перспективные линии могут дальше использоваться в селекционном процессе. И используются.
Л. А. Першина: «Вычленяем» полезные качества от разных видов и собираем воедино.
А. В. Кочетов: Методы хромосомной инженерии для пшеницы — золотое дно. Генную инженерию «приложить» к злакам много труднее — большие сложности с регенерацией. Мы работаем с другими видами растений. А задача та же. Исследовать фундаментальные механизмы стрессоустойчивости — в ответе на стресс у растений задействована большая часть генов, в онтогенезе и то меньше. И, соответственно — предложить варианты создания стрессоустойчивых форм. В частности, к патогенам.
— На каких растениях работаете?
— В качестве модели используем растения табака, также работаем с картофелем. В частности, вместе с коллегами из Биолого-почвенного института ДВО РАН исследуем роль ферментов, разрушающих ДНК и РНК (нуклеаз) в механизмах вирусоустойчивости. Оказалось, что гены, кодирующие эти ферменты, тоже могут использоваться для получения вирусоустойчивых форм растений.
Союз с дальневосточниками очень полезен — мы не могли бы без вирусологов продвигаться в решении ряда проблем. Вместе обсуждаем варианты генетических конструкций, здесь получаем трансгенные растения и передаем во Владивосток, чтобы оценили вирусоустойчивость растительного материала на своих тестах.
Есть еще направление — оно касается механизмов устойчивости к дефициту воды. Делаем генетические конструкции, изменяющие экспрессию генов, задействованных в контроле данного вида стресса. Это дает возможность регулировать процесс — увеличивать или уменьшать «накал».
На генных сетях выбираем мишени, на которые следует воздействовать. Создаем растения-модели и испытываем на стрессоустойчивость. Работая с картофелем, получили образцы с повышенным содержанием нужной аминокислоты — растения вырабатывают ее в ответ на стресс, она помогает контролировать осмотический потенциал и переживать засуху и заморозки.
В Национальном ботаническом саду Украины есть профессор Борис Алексеевич Левенко, заведующий отделом биотехнологий, большой специалист по трансформации разных культур. То, что мы у себя в институте смотрим на моделях, он переносит на конкретные объекты и проверяет, как работают генетические конструкции.
— Все это пока лабораторный уровень?
А. В. Кочетов: Хочу напомнить, что наша задача — это все-таки получение информации о генетическом контроле стрессоустойчивости. Но генетические конструкции и перспективные линии растений, которые получили, мы передали еще одному участнику нашего интеграционного проекта — Светлане Николаевне Кирсановой, зав. лабораторией генной инженерии ВНИИ картофельного хозяйства РАСХН. Они специалисты по картофелю и могут оценить растительный материал.
— Лидия Александровна, правильно ли я поняла главную задачу исследователей — «влить» в уже имеющиеся сорта «свежую кровь», чтобы придать им силы? Иду от термина «донор», для человека это — спасение!
— Да, наша задача, используя гены дикорастущих растений или других культурных видов злаков, получить новые формы мягкой пшеницы — доноры генов, которые будут в дальнейшем в результате последующих скрещиваний передаваться вновь создаваемым сортам мягкой пшеницы.
А. В. Кочетов: Добавлю. Неизвестно, в каких геномах находятся детерминанты устойчивости. Их надо отыскать. Затем — картировать. Соседняя лаборатория, которой заведует доктор биологических наук Елена Артемовна Салина, как раз и занимается такой задачей. Благодаря геномному анализу на хромосомах пшеницы локализовали участки многих важных генов.
— Доноров создаете согласно заранее поставленной задаче?
А. В. Кочетов: Мы с Лидией Александровной уже упоминали, сколь длительное время занимает каждый из многочисленных этапов на пути к сорту. Чтобы получить линию, следует провести многократное скрещивание в поле. Создается провокационный фон, растения не один раз заражают, выявляют наиболее устойчивые, с хорошим иммунитетом. Они и идут дальше в работу, как доноры устойчивости.
Л. А. Першина: Очень важно получать новые и новые доноры от разных источников. Чем шире будет их набор, тем больше разнообразие культур, сортов, несущих разные гены и могущих обеспечить устойчивость в экстремальных условиях. Сейчас востребованными оказываются сорта, созданные еще в начале века. Их вводят в селекционный процесс — в комбинаторике с другими нередко получаются очень удачные сочетания.
— Вот вы говорили, что с годами сорт утрачивает свои лучшие качества и снова начинается протяженная работа по его совершенствованию. А нельзя ли прийти к тому, чтобы просто заменять «отработанные детали»?
А. В. Кочетов: Практически это нереально. Нельзя изъять одно звено цепи — следует воспроизводить всю.
— Алексей Владимирович, можно ли сказать, что работы по интеграционному проекту «Исследование молекулярно-генетических механизмов стрессоустойчивости растений и восстановления фертильности гибридов с помощью методов хромосомной, генной и метаболической инженерии. Получение новых высокоадаптивных форм хозяйственно-ценных растений» движутся успешно?
— Выводы делать рано, времени прошло совсем мало. (Правда, был похожий по тематике проект.) Но сам факт сбора исследователей разных направлений под одной крышей — уже положительный факт. Тем более людей заинтересованных, трудолюбивых, преданных науке.
Л. А. Першина: Нам интересно общаться, обсуждать идеи и оригинальные подходы, которые обещают вылиться в добротные результаты.
стр. 5
| 
