Генетические исследования позволят отказаться от женских растений

Тополь — незаменимое для мегаполисов растение: он неприхотлив, легко размножается, быстро растет, эффективно очищает воздух и благодаря большой листовой поверхности выделяет кислорода в несколько раз больше, чем другие деревья, озеленяющие города средней полосы России. Однако у тополя есть серьезный недостаток: взрослые деревья образуют пух, а он пожароопасен, забивает водостоки и системы вентиляции, собирает и переносит пыльцу и пыль — аллергены.

Тополь относится к двудомным растениям: на одних деревьях образуются только женские генеративные органы, а на других — только мужские. Если для животных такое разделение полов является привычным, то у растений оно встречается достаточно редко — только у 5–6% видов. То, что мы называем пухом, на самом деле является опушенными семенами, которые образуют только женские деревья, и именно они приносят вред городам и их жителям. Для эффективного использования тополя в озеленении необходимо выращивание исключительно мужских растений, причем выбирать их необходимо еще на начальных стадиях развития, а не через семь-десять лет, когда тополя начинают цвести и уже являются большими деревьями, а для этого требуются знания о механизмах определения пола и генетических отличиях мужских и женских растений.

Установление молекулярных механизмов детерминации пола тополя и оценка его генетического разнообразия являются одними из основных направлений исследований, проводимых нами в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН. Ключевым используемым методом служит высокопроизводительное секвенирование, позволяющее быстро генерировать данные о нуклеотидных последовательностях геномов, транскриптомов или отдельных генов с высокой точностью. Нами получены высококачественные сборки геномов тополя, что позволило идентифицировать отличия мужских и женских растений на молекулярном уровне и дополнить наши знания о механизме детерминации пола.

Кроме того, на представительной выборке образцов определены нуклеотидные последовательности ассоциированных с полом участков генома тополя и обнаружены ДНК-полиморфизмы, встречающиеся только у мужских деревьев. На основе полученных данных, а также исследований, выполненных научными коллективами из других стран, нами разработана тест-система для определения пола тополя, которая основана на методе полимеразной цепной реакции (ПЦР). Наша разработка позволяет выбирать растения нужного пола даже среди однолетних саженцев, что делает возможным использование для озеленения города только не образующих пуха мужских деревьев.

Нами также показан высокий полиморфизм тополей, растущих на территории Москвы, и предложены генетические маркеры для создания коллекции высокоадаптивных к городским условиям деревьев, максимально охватывающей существующее разнообразие и пригодной для дальнейшего размножения и эффективного использования в озеленении. Таким образом, наши работы помимо фундаментального значения привели к разработке ДНК-маркеров, которые позволят отбирать саженцы тополя, наиболее подходящие для озеленения мегаполисов, и избавиться от пуха, максимально используя все преимущества этого растения для улучшения экологии городов.

Меры борьбы с тополиным пухом весьма неоднозначны. В основном используется кардинальная обрезка деревьев, однако этот метод при значительных финансовых затратах не приносит положительных результатов: пока у тополей обрезаны ветви, они образуют мало листьев и не способны эффективно очищать воздух и выделять кислород, а когда они восстанавливаются, то начинают цвести и женские растения вновь образуют пух. Про то, что для озеленения городов нужно использовать только мужские тополя, говорится давно, однако значимых шагов в этом направлении не предпринимается.

Существует мнение, что тополя могут менять пол и сажать мужские растения бесполезно, так как все равно через какое-то время они превратятся в женские. Однако крупномасштабные исследования последних лет, проведенные учеными в различных странах и опубликованные в том числе в журналах издательства Nature, показали, что пол тополя определяется генетически, поэтому его смена не может быть повсеместным явлением. Для большинства видов тополей характерна XY-система детерминации пола. Проведенные нами исследования на представительных выборках растений, в том числе подвергнутых кардинальной обрезке, из различных районов города Москвы продемонстрировали полное соответствие между генотипом и фенотипом: все деревья с Y-хромосомой образовывали мужские генеративные органы, а без нее — женские. Напрашивается вывод, что причина распространения в городах женских растений тополя, образующих пух, связана с использованием посадочного материала обоих полов.

Замену тополю для озеленения наиболее экологически неблагоприятных территорий средней полосы России найти сложно, а использование достижений современной науки может решить проблему пуха благодаря посадке только мужских саженцев. Реализация такого проекта улучшит экологию, снизит заболеваемость, повысит качество жизни населения и увеличит его социальную и трудовую активность, что будет иметь долгосрочный экономический эффект. Именно в ближайшие годы остро встанет проблема с естественным старением растущих сейчас тополей, связанная в том числе с повышением ломкости древесины деревьев старше 40 лет. Вопрос замены старых тополей на новые нельзя оставлять без внимания, так как если старые растения будут просто убраны, то город останется без своих «легких», что нанесет ущерб здоровью жителей. Посадку деревьев и их смену необходимо проводить в несколько этапов, чтобы обеспечить постоянный высокий уровень зеленых насаждений среднего возраста, а древесину заменяемых партий тополей можно использовать в промышленности — она высоко ценится при производстве фанеры и бумаги. В то же время для реализации такого масштабного проекта требуется поддержка на федеральном или региональном уровне, в первую очередь Москвы — крупнейшего мегаполиса.

Подписи к фотографиям

1. Мужские (сверху) и женские (снизу) генеративные органы (сережки) тополя

2. Опушенные семена на женском растении тополя

Наталья Мельникова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории постгеномных исследований ИМБ РАН