Рождение суперзерна

Молодые учёные работают над созданием стабильно урожайного сорта пшеницы

В этом году в Институте ­цитологии и генетики СО РАН открылась новая молодежная лаборатория генетических основ селекции зерновых культур. Благодаря программе по созданию таких лабораторий, с 2018 по 2024 год рабочими местами обеспечены более девяти тысяч исследователей в России, из них более шести тысяч — молодые ученые.

Здесь, в коридорах-лабиринтах еще советских лабораторий, молодые российские ученые продолжают дело своих предшественников — создают линии мягкой пшеницы с разными сроками созревания и параметрами урожайности. Правда, уже с помощью новейших генетических технологий.

Добавим, что новая лаборатория создана по нацпроекту «Наука и университеты».

От пипетки до фитотрона

В арсенале генетиков сегодня не только пробирки, колбы, чашки Петри и проросшее зерно. В лаборатории стоят мощные микроскопы и компьютеры. Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией генетических основ селекции злаковых культур Антонина Киселёва надевает белый халат и берет в руки пипетку-дозатор, которая и на пипетку-то, в сущности, уже не очень похожа.

Фото: Светлана Фролова

— Такая пипетка нужна для дозирования, приготовления смеси для полимеразной цепной реакции, маркерных скринингов. Это наш основной инструмент: большинство молекулярно-генетических манипуляций связаны именно с применением пипетки, — объясняет Антонина Киселёва. — Здесь мы проводим молекулярно-генетические работы: больше работаем не столько в поле, сколько в лаборатории — с нуклеиновыми кислотами: ДНК, РНК. Изучаем гены.

В лаборатории есть что-то вроде своей библиотеки-хранилища.

— Это кельвинатор — холодильник, который поддерживает температуру –70 градусов и поэтому позволяет нуклеиновым кислотам годами не портиться, — говорит Антонина Киселёва. — Большая часть оборудования закуплена с помощью различных бюджетных проектов, которые есть у лаборатории, — это гранты Российского научного фонда, Курчатовского геномного центра ИЦиГ СО РАН. С помощью них мы значительно обновили приборную базу. Кстати, в рамках гранта Курчатовского центра мы купили уникальные фитотроны для выращивания растений.

В «мокрой» лаборатории

В следующем кабинете стоят специальные аппараты для выделения ДНК. А зачем вообще ее нужно выделять?

— Чтобы изучать последовательности генов, и не только генов, потому что в геноме содержится, помимо генов, которые кодируют белки, множество других элементов, которые тоже могут влиять на фенотип растения, — говорит Антонина Киселёва.

Оборудование практически все иностранное. Российского производства — только настольный термостат и дистиллятор. «Импортозамещение идет потихоньку: есть те же термостаты настольные — мы пользуемся, нормальные, — комментирует Антонина Киселёва. — А вот климатическая камера была у нас отечественного производства, и я ее рекомендовать никому не буду».

Антонина работает в Институте цитологии и генетики уже десять лет, ей 34 года. Говорит, выбор профессии вполне предсказуем: в школе будущий кандидат биологических наук любила химию и биологию, поэтому и поступала на биологический факультет. При этом родители никак с наукой не связаны, разве что бабушка была врачом-педиатром.

— И уже во время обучения я поняла, что больше хочу работать с растениями, — вспоминает Антонина Киселёва. — Потому что генетическая работа с животными сопряжена с рядом этических вопросов. Но хотела работать именно в «мокрой» лаборатории, а не полностью за компьютером. «Мокрая», потому, что работа идет с реактивами и биологическим материалом.

Пшеница с измененным геномом растет под искусственным светом в фитотроне. Фото: Светлана Фролова

Мы идем длинными извилистыми коридорами мимо кадушек с цветущими растениями — в институте есть настоящий небольшой зимний сад.

— Я занимаюсь практически всем, что связано с генетикой мягкой пшеницы, — от картирования (создания карты — прим. авт.) до геномного редактирования. Признаки, которые мы изучаем, тоже разные: продолжительность вегетационного периода, время колошения, созревание — все, что связано с адаптацией растений к условиям окружающей среды, к какому-то конкретному региону. Также нас интересуют качественные признаки зерна, такие как содержание белка, глютена, твердозерность, различные признаки урожайности.

Сотворить летний вечер или весеннее утро

Сейчас в лаборатории ведутся перспективные исследования по теме «Системный подход для изучения генетических основ селекции зерновых культур и создания высокоурожайных сортов».

— В рамках этого проекта мы с помощью разных методов изучаем молекулярно-­генетические механизмы, отвечающие за формирование хозяйственно ценных признаков злаковых культур и разработку генетических инструментов для получения сортов со стабильно высокой урожайностью, — рассказывает Антонина Киселёва.

Екатерина Тимонова, научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН Курчатовского геномного центра, исполняющая обязанности руководителя Центра коллективного пользования в области клеточных технологий и геномного редактирования растений, проводит нас в святая святых — к фитотрону.

Фитотроны — это большие климатические камеры. Одна такая вполне может полностью заполнить зал в обычной панельке. В таких камерах автоматически поддерживается определенная температура, влажность, освещенность, более того, ученые с помощью фитотронов могут даже контролировать спектр освещения в камере.  Фото: Светлана Фролова

— Это растения после геномного редактирования. — Екатерина Тимонова открывает плотную железную дверь «холодильника-теплицы». — Сейчас здесь света нет, как будто ночь. Это климатические камеры для поддержания точных условий выращивания растений, коротко: фитотроны. С помощью таких камер можно моделировать и поддерживать очень сложные климатические условия. То есть, например, когда мы выращиваем ячмень для очень тонких экспериментов, в том числе для геномного редактирования, ему нужны специфические условия: это практически весна, то есть когда днем +14 градусов, ночью +12 градусов, и очень высокая влажность — 70 процентов. Такое может сделать не каждая камера, а наши — могут. Плюс здесь еще установлены лампы, которые имитируют дневной свет. В другой же камере мы можем установить спектр, который нам нужен: добавить, например, больше красного или синего. Либо вообще смоделировать какое-то освещение из любой части земного шара. Кроме того, лампы умеют имитировать лесной покров, шевеление травы — если вы работаете с растениями, которые растут в затененных местах. В итоге мы можем сами моделировать климат. К сожалению, сейчас, после начала СВО, некоторые поставщики и производители оборудования перестали с нами сотрудничать — уже не поддерживают обслуживание, хотя пока они нас не отключили. То есть мы продолжаем пользоваться этим программным обеспечением, которое создано для того, чтобы управлять этими камерами, но непонятно, когда нас отключат окончательно. Производитель ламп — Англия, камеры — Германия. Российских аналогов у нас пока нет. В России нет возможности создавать такие контроллеры (устройства управления в электронике и вычислительной технике — прим. авт.). Мы общались с коллегами — они говорят, что через год будут готовы сложные контроллеры, которые могут вот такие условия меняющие­ся поддерживать. Сейчас же пока в России очень простые контроллеры, которые задают определенные условия на сутки и много раз их повторяют.

Остается добавить, что вся эта аппаратура была куплена по программе Курчатовского геномного центра в конце 2019 — начале 2020 года. Ничего подобного в Сибири сейчас нет.

— Мы можем позволить себе здесь проходить все стадии процесса, выращивать здоровых доноров — для тонких экспериментов, которых в теплице, например, не получить, — говорит Екатерина Тимонова.

Не совсем ГМО

Основной объект исследования — мягкая пшеница. В работе лаборатории использовано несколько генетических моделей, одна из которых — коллекция линий мягкой пшеницы с мутациями в генах чувствительности к фотопериоду (относительному количеству света и темноты в суточном цикле — прим. авт.).

Одно из достижений коллектива лаборатории: здесь отредактировали геном отечественных сортов пшеницы и ячменя. Но обычных потребителей, конечно, больше всего интересует производительность и качество продукции. Что сейчас можно сделать с помощью вмешательства в геном?

— Направление по геномному редактированию пока еще не полностью имеет прикладное значение, — говорит Екатерина Тимонова. — Пока это лишь задел на будущее, поскольку пока все, что мы можем создать с помощью этой технологии, ограничено к использованию и подпадает под юрисдикцию как ГМО. Хотя и по сути ГМО не является.

С другой стороны, геномное редактирование, как добавляет Антонина Киселёва, можно использовать и для изучения генов. Другая важная часть планируемой работы заключается в выявлении новых локусов (местоположение определенного гена на генетической или физической карте хромосомы — прим. авт.) и генов, связанных с признаками урожайности мягкой пшеницы, созданием для них маркеров, которые могут быть использованы для маркер-ориентированной селекции.

— То есть с другими методами мы выявляем какие-то потенциальные гены, которые, как мы думаем, влияют на содержание белка. Методом геномного редактирования мы можем проверить, действительно ли это так, — объясняет Антонина Киселёва. — То есть, с одной стороны, фундаментальные какие-то вопросы, а с другой стороны, мы, зная функцию этого гена, можем использовать уже существующие в природе разнообразия по этим последовательностям.

Если Мичурин ускорится

Более прикладное направление имеет другой проект молодежной лаборатории — это получение удвоенных гаплоидов (генотипов, образующихся, когда гаплоидные клетки подвергаются удвоению хромосом, — прим. авт.). По сути, это новый инструмент селекции.

Фото: Светлана Фролова

— Эта технология позволяет за одно поколение создавать чистые линии для сортов, которые нужны селекционерам, — говорит Екатерина Тимонова. — Обычно на это уходят долгие годы.

И конечно, основа работы — это коллекции, которые молодые ученые используют в своей работе. Конечно, это коллекции сортов отечественной селекции.

— Зачастую они из различных селекционных центров — не только Новосибирская область, ВАСХНИЛ, но и другие города России. Это уникальные, интересные сорта. Конечно, у советских селекционеров много достижений, — говорит Екатерина Тимонова. — И конечно, мы работаем с нашими современными селекционерами. Они помогают нам оценивать фенотип, например, в поле. Ведь проявление признака нужно всегда наблюдать именно в естественных полевых условиях и в течение нескольких лет. В Новосибирской области все довольно хорошо с выращиванием пшеницы. Есть много урожайных сортов. Бывают какие-то форс-мажоры, например как в этом году, когда прорастание произошло в колосе и из-за плохой погоды не успели убрать. Но в целом, мне кажется, у нас очень много хороших созданных, районированных сортов, например «Новосибирская-31», «Обская-2». Недавно был создан сорт «Сигма» — тоже с очень высокой урожайностью.

А что делать со слишком длинным стеблем растения, который под напором того же ветра ломается, падает? Непраздный вопрос для наших климатических условий.

— С этой проблемой как раз можно справиться с помощью геномного редактирования, — комментирует Екатерина Тимонова. — То, что мы сейчас вам показали: в фитотроне растут еще молодые растения. Мы как раз получаем низкорослые новые линии путем прицельного редактирования всего лишь двух последовательностей на основе наших знаний о естественном разнообразии. То есть мы не вносим чего-то нового, мы используем, в общем-то, делаем то, что в принципе встречается в природе, но мы это комбинируем в одном растении — две разные мутации.

КСТАТИ
Программа работы лаборатории по проекту рассчитана на три года. Однако первые результаты ее сотрудники планируют получить уже в конце текущего. И совершенно очевидно, что они станут хорошим подспорьем для селекционеров из самых разных уголков не только России, но и мира.