Биологические коллекции помогут улучшить урожайность и сохранить многообразие культур

Производить вакцины для людей и животных, редактировать геномы, создавать новые сорта овощей и фруктов с повышенной урожайностью и диетической специализацией, изучать тысячелетнюю историю человечества — для решения этих и многих других задач ученым нужны биоресурсные коллекции.

Биологические коллекции появились в России еще во времена Петра I. Сегодня в России зарегистрировано более 250 коллекций генетических ресурсов — сельскохозяйственных растений и гербарных фондов, животных и птиц (сельскохозяйственных, диких и лабораторных, зоологических и в живом разведении), промышленных и сельскохозяйственных микроорганизмов, культур клеток человека и животных. В XXI веке меняются системы менеджмента коллекций, методические подходы к их изучению, обновляются стандарты использования информационных и генетических технологий.

Кроме того, биоресурсным коллекциям требуется современное правовое регулирование, о чем сказал на одном из заседаний Совета по науке и образованию президент России Владимир Путин.

История с биологией

Началом систематического сбора и изучения биологического разнообразия в России можно считать учреждение Петром I в 1714 году Кунсткамеры и Аптекарского огорода. Из зоологических коллекций Кунсткамеры вырос нынешний Зоологический институт РАН — держатель одной из крупнейших в мире и старейших коллекций. Ботанические коллекции Кунсткамеры дали начало Ботаническому музею Императорской академии наук, а на базе Аптекарского огорода был создан Императорский ботанический сад, ныне они объединены в Ботанический институт имени В. Л. Комарова РАН. Именно здесь хранится самый большой гербарный фонд в России и один из крупнейших в мире.

Через 100 лет — в 1814 году — на землях Императорского Никитского ботанического сада в Крыму были высажены лозы нескольких десятков лучших сортов винограда из Франции; уже через 12 лет здесь росли 300 сортов из Европы и Российской империи, а сегодня — более 4,1 тыс. образцов. Так была создана первая в России научная коллекция винограда — ампелографическая коллекция «Магарач», которую сегодня активно развивает одноименный научный институт.

В конце XIX века — в 1894 году — при Ученом комитете Министерства земледелия и государственных имуществ Российской империи было создано Бюро по прикладной ботанике «в целях снижения рисков неурожаев и повышения экономической эффективности сельского хозяйства». Так было положено начало комплексной работе с сельхозрастениями, которую уже в советское время Николай Вавилов не просто масштабировал, а превратил в гибкую и разветвленную систему с генетическими исследованиями и эколого-географическими испытаниями по всей стране. Вместе с соратниками Вавилов совершил 180 экспедиций в 65 стран мира — собранная тогда и пополняемая современными учеными коллекция культурных растений и их диких родичей является самой разнообразной в мире. Образцы в коллекцию целенаправленно собирают в центрах происхождения растений, чтобы затем устанавливать связь с образцами, собранными в других местах. Изменчивость составляет суть любой биоресурсной коллекции, Николай Вавилов первым сумел построить на этом работу. Его системный подход заимствовали многие страны.

Указом президента России от 8 февраля 2022 года №44 поручено на базе Федерального исследовательского центра Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова (ВИР) образовать первый в России Национальный центр генетических ресурсов растений.

В ВИР сформирована и сохраняется одна из крупнейших и богатейших по ботаническому разнообразию в мире коллекций культурных растений и их диких родичей, которая насчитывает свыше 320 тыс. образцов.

Растения, микробы и насекомые-вредители: ключ-замок

Российские биоресурсные коллекции насчитывают тысячи образцов. В последние годы они объединяют свои усилия, взаимодействуя по сетевому принципу, и руководствуются в работе едиными рекомендациями и международными операционными стандартами.

Одной из первых была создана сетевая биоресурсная коллекция в области генетических технологий для сельского хозяйства. При поддержке Министерства науки и высшего образования России она объединила на базе ведомственной коллекции Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии (ВНИИСХМ) коллекционные образцы 14 научных институтов Отделения сельскохозяйственных наук РАН и насчитывает теперь более 20 тыс. единиц хранения.

«Взаимодействие микробов и растений хранит в себе огромный резерв повышения урожайности и одновременно минимизации экологического риска в современном земледелии,— считает научный руководитель ВНИИСХМ, академик РАН Игорь Тихонович.— Между генетическими системами микробов и растением-хозяином складываются симбиотические отношения. Выяснилось, что результатом взаимодействия генов хозяина и симбионта является появление таких важных признаков растения, как устойчивость к абиотическим стрессорам и фитопатогенам, азотфиксация, доступность фосфора. А по отдельности у каждого из "партнеров" такие признаки могут и не формироваться. Отсюда ясно, что описание генетических ресурсов растений и, соответственно, микроорганизмов может быть полным только на фоне их взаимодействия, ведь без понимания функции генов симбиоза генетический контроль за растением затруднен». Игорь Тихонович подчеркивает, что для сравнения результатов исследований и продолжения этих работ нужны коллекции микроорганизмов, а будущее — за пополнением коллекций уникальными образцами почв и редких микроорганизмов.

Академик Тихонович — создатель теории симбиогенетики, которая рассматривает гены и геномы не отдельного организма, а надорганизменных генетических систем (к примеру, растения и их симбионты-бактерии) как единое целое. На этой основе в России создаются современные органические удобрения, за которыми уже охотятся коммерческие компании. Его ученики работают с генетическими системами бактерий и растений.

«Человечество научилось использовать положительные свойства бактерий для производства продуктов питания, а их негативные свойства — для борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений,— рассказывает кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории протеомики надорганизменных систем ВНИИСХМ, лауреат премии президента России Кирилл Антонец.— Например, средства для борьбы с насекомыми могут быть основаны в том числе на белках Cry, которые синтезирует почвенная бактерия Bacillus thuringiensis. Когда эти белки попадают в кишечник насекомых и связываются с его белками по принципу "ключ-замок", запускается цепь событий, которая приводит в конечном итоге к гибели насекомого». Недавно коллектив под руководством Кирилла Антонца провел сравнительный анализ всех геномов бактерий Bacillus thuringiensis, которые доступны в базах данных — около 4 тыс. образцов полных геномов,— и сравнил их между собой. Выявили наиболее эффективные цепочки «ключ-замок». Так и создаются отечественные микробные препараты для современного земледелия.

Чудом выживший клад

Мария Воронцова, сопредседатель Рабочей группы по нормативному правовому регулированию в сфере генетических технологий при президиуме совета по реализации Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019–2030 годы, член президиума Российской ассоциации содействия науке:

«Россия имеет клад — биоресурсные коллекции, которые каким-то чудом выжили через все кризисы, которые были в нашей стране и в мире. Мы должны бережно отнестись к этому кладу и сохранить его».

Человек на фоне коллекции

Коллекция старейшего в России НИИ акушерства, гинекологии и репродуктологии имени Д. О. Отта содержит более 60 тыс. образцов крови (плазмы, сыворотки крови), мочи, плацентарной ткани, культур клеток, ДНК, РНК и других материалов человека. Это помогает ученым и врачам разбираться с заболеваниями людей из конкретной семьи с отягощенным анамнезом.

«Благодаря коллекции мы имеем возможность сравнивать различные организмы. Сегодня нами разработан уникальный алгоритм генетического обследования пациента с нарушением репродуктивной функции,— рассказывает один из идеологов создания биобанка, доктор биологических наук, заведующий отделом НИИ Андрей Глотов.— Дальнейшее пополнение коллекции с учетом данного алгоритма расширит сферу применения собранных данных: кроме традиционного поиска мишеней и средств терапии наследственных заболеваний мы сможем проводить генетический мониторинг распространенности нозологий в отдельных регионах России, делать корреляции его с демографическими данными и оценивать эффективность внедренных диагностических, лечебных и профилактических мер».

Главный внештатный специалист по медицинской генетике Министерства здравоохранения России, академик РАН Сергей Куцев считает коллекции основой для решения проблем в диагностике и лечении пациентов с редкими заболеваниями. Он возглавляет Медико-генетический научный центр имени академика Н. П. Бочкова (МГНЦ): в 2021 году этот центр получил грант Министерства науки и высшего образования России на создание сетевого центра коллективного пользования «Всероссийская коллекция биологических образцов наследственных болезней». Сеть объединит биологические коллекции МГНЦ и Томского национального исследовательского медицинского центра РАН.

«Современная медицина немыслима без исследования геномного разнообразия человека в норме и патологии,— уверен Сергей Куцев.— Персонализированный, предиктивный и превентивный подход к диагностике и лечению наследственных заболеваний возможен только в результате анализа геномных, транскриптомных, протеомных и феномных данных. Изучение наследственных заболеваний, разработка диагностических тест-систем и инновационных лекарственных препаратов во многом основаны на работе с коллекцией биологических образцов пациентов с наследственными заболеваниями».

Отдельное значение коллекции биологических данных человека имеют для поиска новых ассоциаций генотип-фенотип при создании новых баз данных, в судебно-медицинской экспертизе.

Охранная грамота для сорта

В обычной яблоне или картофеле биологи видят не только сочный фрукт и овощ, но и генетические особенности конкретного сорта, а теперь — и номенклатурный стандарт.

Создающиеся сейчас номенклатурные стандарты отечественных сортов сельхозрастений — это своеобразная охранная грамота сорта: эти документы подтверждают его подлинность, а автору помогают подтвердить свои права на интеллектуальную собственность.

В базе данных культурных растений номенклатурный стандарт закрепляет название сорта и фиксирует его внешний вид. Для его создания используют гербарный образец, так как именно он несет набор стабильно наследуемых морфологических признаков сорта. Но чтобы номенклатурный стандарт был максимально эффективен, он должен сочетаться с молекулярно-генетическим паспортом растения, и это — не только кропотливая, но и дорогостоящая работа.

Первые полноценные номенклатурные стандарты яблони, картофеля и черной смородины были созданы в 2019 году учеными ВИР имени Н. И. Вавилова. В 2021 году эта работа была поддержана и для создания стандартов плодовых и ягодных культур грантом Министерства науки и образования «Национальная сетевая коллекция генетических ресурсов растений для эффективного научно-технологического развития РФ в сфере генетических технологий».

Селекционный материал собирают ученые из нескольких научных институтов России при координационной роли ВИР имени Н. И. Вавилова. В работе участвуют Всероссийский НИИ селекции плодовых культур (Орел), Субтропический научный центр РАН (Сочи), ФНЦ садоводства (Москва), ФНЦ имени И. В. Мичурина (Мичуринск, Тамбовская обл.), Северо-Кавказский ФНЦ садоводства, виноградарства, виноделия (Краснодар).

«В этом году вместе с коллегами мы провели сбор и фотографирование образцов нескольких отечественных сортов яблони, смородины черной, смородины красной, крыжовника, вишни, мандарина и абрикоса в разных фазах развития растений. В частности, цветения и плодоношения,— радуется ведущий научный сотрудник ВИР имени Н. И. Вавилова, кандидат биологических наук Лариса Багмет.— Мы брали типичные для данного сорта цветки, плоды и однолетние побеги, поскольку наша задача — создать эталоны этих сортов, которые будут храниться вечно и могут быть использованы в любой момент для идентифицирования сорта».

Одновременно идет молекулярно-генетическое исследование собранного материала: описание хозяйственно-ценных признаков и создание генетических паспортов этих сортов.

С 2021 по 2023 год в этом проекте запланировано создание не менее 50 номенклатурных стандартов различных плодовых, ягодных и субтропических культур.

«Коллекционеры» всех мастей, объединяйтесь!

В июне 2022 года ведущие ученые и директора научных институтов — держателей биологических коллекций разного типа встретились в Санкт-Петербурге на первом научном форуме «Генетические ресурсы России». Четыре дня около 500 человек из более чем 100 научных и образовательных учреждений России в онлайн- и офлайн-форматах обсуждали актуальные вопросы развития биоресурсных коллекций. Девять специализированных научных конференций, прошедших при поддержке грантов Министерства науки и высшего образования России, около 300 устных докладов, более десяти академиков РАН во главе с вице-президентом Ириной Донник. Такое масштабное событие произошло впервые, но решено проводить его не реже одного раза в два года — сохранить преемственность поможет объединяющее всех Вавиловское общество генетиков и селекционеров, ставшее главным организатором форума.

Тематика развития биоресурсных коллекций стала неотъемлемой частью Федеральной программы развития генетических технологий в России на 2019–2027 годы, но правовой статус и вопросы менеджмента коллекций продолжают беспокоить их держателей.

«Чрезвычайно важно при любых обстоятельствах сохранить контроль государства над биоресурсными коллекциями, обеспечивая при этом единые стандарты доступа ученых к этому материалу»,— уверен академик Тихонович.

Нужны единые стандарты

Академик Николай Колчанов:

«Важнейшие критерии оценки биоресурсных коллекций — востребованность для выполнения государственных программ и востребованность научным сообществом для исследовательских задач. Именно поэтому важно выработать единые стандарты равного доступа к коллекциям, а также полные наборы стандартных операционных процедур — методических рекомендаций и современных технологий работы с коллекциями, соответствующих международным стандартам. Сохранение и развитие коллекций должно быть на мировом уровне».

Коллекции — это фонды для исследователей

Сергей Синеокий, доктор биологических наук, профессор, руководитель национального биоресурсного центра «Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов» НИЦ «Курчатовский институт»:

«Национальные биоресурсные центры должны развивать сотрудничество с исследовательскими и прикладными организациями, быть в курсе инфраструктурных задач, актуальных для развития биотехнологии, и способствовать их решению. Это важно в том числе для развития консультационной и учебной деятельности научных институтов — держателей коллекций, а также для формирования специализированных коллекционных фондов, требующихся для прикладных и исследовательских целей».

Что дальше

Эффективное и рациональное современное использование коллекций предполагает их интеграцию по направлениям под эгидой профильных национальных биоресурсных центров — по сетевому принципу с распределенными комплексами хранения и изучения, созданием национальных каталогов образцов, едиными методиками работы и стандартами доступа.

Первый такой биоресурсный центр на базе ВИР имени Н. И. Вавилова — Национальный центр генетических ресурсов растений — объединит сетевым образом не менее 20 научных учреждений России, которые работают с коллекциями растений. Координацию деятельности Национального центра осуществляет Межведомственная комиссия во главе с директором ВИР — доктором биологических наук, профессором РАН Еленой Хлесткиной, включающая ученых и федеральных чиновников. Комиссия создана указом президента России №45 от 8 февраля 2022 года. Осенью этого года правительство должно утвердить программу развития Наццентра. Национальный центр генетических ресурсов растений призван стать модельным — в перспективе предполагается создание аналогичных национальных центров генетических ресурсов животных и микроорганизмов.

Как оценить коллекцию

В СССР крупнейшими биоресурсными коллекциями являлись коллекции ВИР имени Н. И. Вавилова (современное название — Федеральный исследовательский центр «Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова»), Зоологического и Ботанического институтов. Однако с развалом Советского Союза отечественные коллекции оказались без должного финансирования и системной организации со стороны государства. Ученые сохранили это в буквальном смысле народное достояние, напоминая друг другу, как в блокадном Ленинграде в 1941–1944 годах их предшественники ценой жизни сберегли все, включая вавиловскую коллекцию сельхозрастений. В 2014 году в связи с основанием Федерального агентства научных организаций (ФАНО) о коллекциях вспомнили, а в 2016 году была сформирована Рабочая группа ФАНО России по биоресурсным коллекциям во главе с академиком Николаем Колчановым, а позднее — Комиссия Министерства науки и высшего образования по поддержке и развитию биоресурсных коллекций подведомственных учреждений и образовательных учреждений высшего образования. В фокусе внимания находились вопросы финансирования и объективной оценки работы научных образовательных центров, в ведении которых имелись биоресурсные коллекции.

Подготовила Валерия Маслова, использованы материалы первого научного форума «Генетические ресурсы России» (Санкт-Петербург, 21–24 июня 2022 года)