Что такое спидбридинг и как он помогает импортозамещению

Московский стартап разработал и внедрил уникальные климатические камеры для ускоренного развития растений.

Инновационные климатические камеры, или фитотроны, созданные компанией «Климбиотех», предназначены для реализации не менее инновационной сельскохозяйственной технологии — спидбридинга (speed breeding), или ускоренного развития растений, и установлены в лабораториях Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии (ВНИИСБ). Благодаря созданным в камерах условиям растения созревают и дают семена в два-три раза быстрее, чем в полях и теплицах, а значит, у ученых появляется возможность значительно ускорить выведение и внедрение новых сортов.

Технология спидбридинга развивается в России относительно недавно, всего лет пять, хотя за рубежом давно заняла прочное место в селекционной практике и применяется на разных сельскохозяйственных культурах, рассказывает заведующий лабораторией прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений ВНИИСБ, кандидат биологических наук Михаил Дивашук. Именно он стал зачинателем спидбридинга в нашей стране.

Но чем интересен спидбридинг и какую роль он играет в процессе селекции? «В большинстве случаев селекция остается классической,— объясняет Михаил Дивашук.— Суть ее в том, что скрещиваются два родителя, каждый из которых несет определенный набор нужных свойств. Но у растений больше 20 тыс. генов, и после скрещивания мы получаем бесконечную вариацию генотипов. Первое, второе, третье, четвертое поколения потомства в генетическом отношении нестабильны. Это значит, что на протяжении нескольких поколений происходит расщепление — распределение доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определенном числовом соотношении. Допустим, мы отобрали в первом поколении самое красивое и вкусное яблочко, но в следующем поколении оно может не сохранить своих свойств, потому что снова будет происходить расщепление. Стабилизация генов — очень долгий процесс, но пока этого не произойдет, сорт получить не удастся».

А теперь представьте, что селекционеры получают максимум два поколения в год. При таких темпах стабилизация наступит не раньше чем через 6–8 лет, а с полевыми испытаниями сорт можно будет получить только лет через десять. Вот тут как раз и нужен спидбридинг — с его помощью можно получать до семи поколений в год! «С помощью спидбридинга мы проходим весь процесс стабилизации генов за год-два в зависимости от культуры и передаем линию в поля на испытания. Если она хорошо себя показала, у селекционера на руках уже сорт. Надо его размножить и продавать»,— говорит ученый.

Сарафанное радио

Такое ускоренное вызревание возможно лишь при создании определенных условий. Для этого и нужен фитотрон — автоматизированный комплекс с искусственным климатом, где поддерживаются необходимые температура, освещенность, влажность и др. «Когда передо мной встала задача внедрить технологию спидбридинга, я понял, что установок, способных обеспечить нужные мне условия, на рынке не существует,— вспоминает Михаил Дивашук.— И никто не брался их делать, потому что не было ни технической документации, ни чертежей — лишь понимание того, какие условия для растений нужно поддерживать, а кроме того, оборудование надо было вписать в очень маленькое пространство. Тогда знакомые по институту посоветовали мне компанию "Климбиотех". Сработало сарафанное радио».

«Климбиотех» начинал с малого — с небольшого «ненаучного» фитотрона для микрозелени и клубники. С ним он участвовал в конкурсе «Сити-фермер», что принесло стартапу известность среди селекционеров и ученых в области сельского хозяйства. Сейчас «Климбиотех» установил уже шесть своих фитотронов: пять во ВНИИСБ и один в Тимирязевской академии. Большую помощь в работе компании оказал Московский инновационный кластер (МИК), резидентом которого она стала в 2022 году. «Как только мы стали участниками, сразу начали получать плюшки,— рассказывает Дарья Фрейманс, PR-директор "Климбиотеха".— Прежде всего в виде офиса на территории кластера "Ломоносов". В Академии стартапов и Академии инноваторов — акселераторах МИК мы узнали, как грамотно презентовать свой проект, как получить венчурные инвестиции. МИК провел инвестиционную экспертизу проекта, помог доработать финансовую модель и представить инвесторам. Он запустил цепную реакцию в медиапространстве, и мы были услышаны: председатель правительства РФ Михаил Мишустин отметил достижения ученых ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии в своей лекции "Создаем будущее сегодня"! Департамент селекции и семеноводства Минсельхоза РФ пригласил нас выступить на форуме "Отечественная селекция на стыке времен: классические подходы и новейшие тренды", который состоялся 13 февраля».

Свет и тепло

В климатических камерах «Климбиотеха» есть все для жизнеобеспечения растений: тут можно создать любой климат, наладить многокомпонентный точечный полив, имитировать солнечный свет. Вся система автоматизирована и позволяет управлять климатическими факторами, задавая необходимые параметры: температуру, влажность, содержание СО2, подачу удобрений.

Освещение для проекта изготовили партнеры — компания Just Grow, тоже российская. Ее специалисты много лет разрабатывают светильники для прогрессивного растениеводства и сразу откликнулись на предложение сделать лампы для спидбридинга. «По количеству испускаемых светодиодами фотонов наши светильники приближены к солнцу в Краснодаре в августе-сентябре,— говорит ИТ-директор "Климбиотеха" Сергей Килеев.— Они позволяют получить от 3 тыс. до 5 тыс. PPFD (англ. photosynthetic photon flux density, плотность фотосинтетического фотонного потока). Так измеряется фотосинтетическая активная радиация — часть доходящей до биоценозов солнечной радиации в диапазоне от 400 до 700 нм, используемая растениями для фотосинтеза. PPFD — количество света, падающее на конкретную точку поверхности, которое растение может поглотить».

В камере спидбридинга важен ускоренный рост растений. Чтобы его обеспечить, нужен классический белый свет, приближенный к солнечному. Если каких-то спектров не будет, у растения могут возникнуть проблемы с развитием. Лампы Just Grow наряду с белым дают дальний красный. Высокий процент дальнего красного сокращает срок перехода растений к цветению. «До нас никто не экспериментировал на таком мощном свете,— объясняет Сергей,— но именно такой нужен, например, подсолнухам. Кроме того, наши лампы позволяют точечно управлять светом, чтобы он не рассеивался, а падал в определенную точку».

Температурный режим регулирует система чиллер-фанкойл. Это система кондиционирования воздуха, где теплоносителем между центральной охлаждающей машиной (чиллером) и локальными теплообменниками (фанкойлами) служит антифриз. Инновационность установки «Климбиотеха» состоит в том, что используются фанкойлы собственной разработки с переменной площадью испарителя. Благодаря этому есть возможность регулировать не только температуру с высокой точностью, но и влажность в широком диапазоне. «Раньше никто такого сделать не мог»,— подчеркивает Дарья Фрейманс.

Оборудование собирают на месте из отечественных и китайских комплектующих. «Мы сами ничего не производим, а закупаем партиями у разных производителей,— говорит PR-директор.— Наша инновация в том, что мы все это правильно собираем. Это очень качественный конструктор».

Искусственный интеллект в помощь

«Климбиотех» создал тепличные условия не только растениям, но и ученым, призвав на помощь искусственный интеллект. Дело в том, что важная часть работы научных сотрудников — фенотипирование растений, то есть визуальное исследование для оценки их внешних и внутренних признаков — размера, формы, физиолого-биохимических характеристик. Процесс этот очень трудоемкий и отнимает у сотрудников института массу времени, которое они могли бы потратить на научную работу. И специалисты «Климбиотеха» решили автоматизировать процесс фенотипирования, доверив его ИИ. Обучали «нейронку» на собственном дата-сете: за год работы климатических комплексов во ВНИИСБ удалось собрать более 120 тыс. изображений.

Главная сложность состояла в том, чтобы научить ИИ обнаруживать колоски пшеницы. Они сливаются с биомассой, поэтому невооруженным глазом их трудно увидеть. Команда «Климбиотеха» решила использовать RGB-камеры с возможностью инфракрасного видения в диапазоне 860 нм. Это решение стало прорывным: выяснилось, что в инфракрасных лучах колоски светятся и нейронная сеть их легко распознает. Точность составляет 85%. Специалистам остается лишь их сосчитать.

Последнее нововведение — таймлапсы, фотографии, сделанные последовательно с определенным интервалом и затем сведенные в видеоряд. Благодаря этому ученые могут наблюдать растение в развитии. Это тоже серьезное подспорье в фенотипировании, потому что позволяет отследить закономерности, которые не были замечены и учтены при визуальном наблюдении.

Управление режимами и сбор статистики осуществляется через приложение, которое можно запустить на любом удобном устройстве, имеющем доступ к браузеру. «Даже с телевизора можно зайти,— шутит Сергей.— Хотя, конечно, с телевизора управлять не очень удобно». При помощи приложения можно выставить любые параметры: свет, температуру и влажность, можно их повышать или понижать. Все оцифрованные данные поступают в «Дневник агронома», чтобы вся информация об эксперименте была собрана в одном месте.

Климатические камеры появились во ВНИИСБ только в начале 2023 года, но там уже вовсю идет работа над новыми сортами подсолнечника, кукурузы и сои. Есть линия пшеницы, которую в середине текущего года планируется передать сельхозпредприятиям для испытаний в поле. Заключен договор с компанией «Экокультура». В проекте участвуют несколько институтов, ВНИИСБ отвечает за спидбридинг. «Аналогов наших камер нет и быть не может, так как "Климбиотех" делал их под мои технические задачи и характеристики,— говорит Михаил Дивашук.— Могут ли другие компании это воспроизвести, не знаю. На конкурсы, которые мы объявляли, никто больше не приходил. И насколько я могу судить по научной литературе, таких камер нет нигде в мире».

Елена Туева