Создание нового, сохранение старого

...Или в пробирке, как в саду,
Вырастить новую еду
И применять взамен обычной
Или с обычной наряду.
Михаил Щербаков

Теперь поговорим о направлениях, не столь коммерциализованных, но тем не менее важных и перспективных. Прежде всего это технологии, связанные с селекцией.

В начале статьи мы рассказывали о протопластах — растительных клетках без жесткой стенки, «освобожденных из деревянной тюрьмы», по выражению американского ученого Артура Галстона. Разработаны специальные методы, с помощью которых можно заставить два протопласта слиться. Это называют соматической гибридизацией. С ее помощью можно получать не только межвидовые, но и межродовые гибриды! При этом гибридизуются как ядерные, так и цитоплазматические геномы. (Цитоплазматические — это собственные геномы митохондрий и пластид: в обычном случае потомство наследует их, как и всё, что содержится в цитоплазме, от крупной материнской клетки, но не от спермия, который несет лишь ядерные хромосомы.) Если у одного из протопластов инактивировать или удалить ядро, получится цибрид — растение, гибридное только по цитоплазматическим геномам. Подобными методами создают сельскохозяйственные растения с новыми ценными свойствами — например, «заимствуют» у диких видов картофеля устойчивость к болезням и вредителям, которой так не хватает культурным сортам. Соматическая гибридизация в своем роде не менее эффективна, чем создание ГМО.

Кстати, создание генно-модифицированных растений тоже предполагает работу с культурами клеток. В культуре гораздо быстрее можно разобраться и с биохимией нового растения — к примеру, проверить, синтезируется или нет вещество, которое будет защищать его от вредителей, или провести первичные испытания на безопасность. А если результаты будут удовлетворительными, быстрее можно получить новые растения в большом количестве.

С другой стороны, для некоторых клеточных технологий новые возможности предоставляет генная модификация. Искусственные семена — такое красивое называние получили соматические эмбриоиды растений, заключенные в гелевую оболочку (это впервые проделали Шерри Китто и Жюль Янник, публикация 1985 года). Но можно обойтись и без зародышей, если использовать культуру ткани корня, трансформированную бактериямиAgrobacterium rhizogenes, они же Rhizobium rhizogenes, — это близкий родственник Agrobacterium tumefaciens, чаще всего используемой в генной инженерии растений. Поражая корни растений, эти агробактерии тоже внедряют в клетки свой генетический материал в виде плазмид и заставляют ткань хозяина продуцировать опины — источник пищи для «гостей», а также бурно расти. А бурно растущую ткань особенно удобно культивировать. Ее выращивают в биореакторах для синтеза вторичных метаболитов, а кроме того, изготавливают из такой трансформированной ткани вегетативные искусственные семена — кусочки корня в гелевой оболочке. Задачи все те же: размножение, хранение, оздоровление, транспортировка. В одном из последних номеров журнала «Физиология растений» (2011, т. 58, № 3) опубликована статья сотрудников ИФР РАН, посвященная «корневым» искусственным семенам шлемника байкальского и руты душистой.

Селекционерам, как и садоводам, нужны чистые линии — растения, гомозиготные по генам всех интересующих признаков. Высшие организмы (растения и животные) диплоидны (2n), то есть каждый ген у них существуют в двух экземплярах — один получен от материнской половой клетки, другой от отцовской. Если эти копии одинаковы, то организм гомозиготен по этому гену, если различаются — гетерозиготен. Селекционерам требуются линии с высокой степенью гомозиготности, потому что в них возможен более жесткий отбор — никаких сюрпризов, связанных с рецессивными генами. (Рецессивные — это гены скрытых признаков: когда такой ген стоит в паре с более «сильным» доминантным геном, его эффект незаметен, а вот когда в одном растении встретятся два рецессивных гена, новый, не всегда желательный признак проявится.) Чтобы сделать гибридную линию стабильной путем самоопыления, нужны годы, на создание нового сорта уходит в среднем 10–12 лет.

Однако у высших организмов есть и гаплоидные клетки, с одним набором хромосом (n) — это половые клетки. Из школьного курса ботаники мы знаем, что растения не так чувствительны к плоидности, как высшие животные, — и тетраплоидные (4n), и октаплоидные (8n) организмы встречаются нередко. А в лабораторных условиях, если изолировать гаплоидные клетки — завязь с семяпочкой либо пыльники с микроспорами — и вырастить их в культуре, можно получить гаплоидное растение, все свойства которого будут как на ладони. Это сильно ускоряет работу селекционера.

Способ получения гаплоидов из культуры пыльников открыли в 1964 году индийские исследователи Сипра Гуха и Сатиш Махешвари. Позднее были найдены и способы получения гаплоидных культур из неоплодотворенных зародышей. Чтобы проверить, действительно ли растение гаплоидное, можно напрямую подсчитать число хромосом в клетках (для этого хорошо подходят активно делящиеся клетки кончиков корней). Есть и косвенный метод подтверждения гаплоидности — у таких растений примерно вдвое меньше хлоропластов в клетках устьиц, открывающих и закрывающих поры на листе.

Гаплоидные растения стерильны, но получить семена от них можно, если обработать колхицином. Это вещество (кстати, тоже растительного происхождения — алкалоид безвременника) разрушает микротрубочки веретена деления. В результате хромосомы не расходятся к полюсам — происходит их удвоение без деления, и их количество в одной клетке удваивается. Технология проста: ватку, пропитанную раствором колхицина, кладут на верхушку гаплоидного растения. После цветения оно дает семена, идеально гомозиготные.

Сравнительно недавно в РСХА таким образом научились получать гаплоидные и дигаплоидные растения-регенеранты белокочанной капусты из культуры. (Дигаплоидов получают гаплоидизацией полиплоидных растений, для тех же целей, что и гаплоидные из диплоидных; кто запутался в терминологии, пусть посмотрит в учебнике.)

Получение чистых линий — это второй этап традиционной селекции. Новые признаки, нужные селекционеру, дает гибридизация. Но бывает так, что выбранные генотипы не скрещиваются in vivo (потому, что цветут в различное время или из-за «анатомической несовместимости» — скажем, пыльцевая трубка, прорастающая из пыльцевого зерна, слишком коротка и не дотягивается яйцеклетки.) Однако во многих случаях оплодотворение можно произвести in vitro. «Жаль, что селекционеры мало этим пользуются», — отмечает Е. А. Калашникова.

Но и получить гибридные семена — это только первый шаг, они должны еще успешно начать развиваться и прорасти. А с этим бывают проблемы: например, если генетическое несходство родительских растений достаточно велико, может получиться так, что зародыш и эндосперм, обеспечивающий питание зародыша, станут развиваться асинхронно. В итоге зародыш погибнет либо от недостатка питательных веществ, либо будет отравлен их избытком. Но этого можно избежать, если извлечь зародыш из незрелого семени и поместить его в питательную среду оптимального состава. (Как это делается, можно посмотреть на обложке журнала.)

Не менее важная задача, чем создание нового, — сохранение и приумножение того, что у нас есть: клональное микроразмножение ценных гибридов и сортов, а также диких видов и труднокультивируемых растений. О размножении мы уже сказали достаточно, теперь перейдем к хранению.

Как уже говорилось, в культуре мы волей-неволей ведем отбор в популяции клеток. Накапливаются мутации, изменяются свойства, и в конце концов не очевидно, что регенерант, выращенный из этой культуры, будет идентичен тому растению, от которого был взят эксплант. Если требуется неизменность в течение долгого времени, то гораздо эффективнее криоконсервация — хранение биообъектов in vitro в жидком азоте при — 196°С. Разумеется, для этого необходимы специальная аппаратура, среды, содержащие криопротекторы, специальные режимы замораживания — размораживания и многое другое.

Во Всероссийской коллекции культур клеток высших растений (отдел биологии клетки и биотехнологии ИФР РАН) находятся десятки каллусных и суспензионных культур клеток. Созданный там же криобанк был одним из первых в мире. Культуры женьшеня, созданные в 70-е годы, хранятся в ИФР до сих пор, не потеряв жизнеспособности. Там «спят» при сверхнизких температурах и другие уникальные штаммы-продуценты, например диоскореи дельтовидной, а также фрагменты тканей ценных сортов картофеля, земляники, малины, черной смородины.

Великие фантасты не любят подолгу задерживаться в лабораториях, но, несомненно, славный ботаник Кейн из рассказа Желязны, чтобы вырастить цветок для марсианской танцовщицы, первым делом отправился в походное криохранилище за каллусной тканью Rosa sp. Хорошо, что она у него была, иначе так бы и погибла древняя мудрая цивилизация.

Против ГМО:

http://rateh.ru/anti-gmo