Управляемая мутация против продовольственного кризиса
«Геномный прыжок» и с чем его едят
Способна ли наука избавить человечество от продовольственного кризиса, не прибегая к ГМО? Илья Киров, заведующий лабораторией маркерной и геномной селекции растений ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии и лабораторией системной геномики и мобиломики растений МФТИ, рассказал об альтернативных путях в этой области.
Илья Киров
Фото: Предоставлено пресс-службой МФТИ
Илья Киров
Фото: Предоставлено пресс-службой МФТИ
Численность мирового населения неизменно растет: 15 ноября 2022 года мы достигли 8 млрд и, по прогнозам ООН, в ближайшие 30 лет прибавим еще 2 млрд. Конечно, рост населения вызывает и рост потребления. Расширение посевных площадей уже не способно избавить от продовольственного кризиса, а значит, необходимо использовать новые экологичные технологии.
В последние годы мы одновременно активно боремся с двумя противоположными проблемами: пытаемся повысить урожайность и снизить влияние на окружающую среду. Для сохранения баланса необходимо повышать качество продукции и экологичность сельского хозяйства. Это стало возможным за счет технологий генной модификации, но их быстро запретили во многих странах. В итоге ограниченность ресурсов землепользования на фоне растущего населения остается глобальной неразрешимой проблемой.
Медленно можно, быстро нельзя
Что же может предложить современная наука для решения проблемы дефицита продовольствия? Отдача от посевных площадей вполне успешно повышается за счет внедрения целого ряда современных технологий — это более совершенное орошение, технологии искусственного интеллекта, минимальная механическая обработка, дифференцированное внесение удобрений и т. д. Эти технологии активно используются, но они не могут увеличить урожайность в разы. Куда более впечатляющи возможности селекции. Но здесь основная проблема — время, необходимое для выведения новых сортов. При благоприятном сценарии это 10–15 лет. Чтобы получить новый сорт, сначала необходимо отобрать интересующий генотип — 6–10 лет. Затем генотип следует размножить, а это еще несколько лет, и только потом приступают к испытанию самого сорта — например, на отличимость от других сортов, однородность и стабильность. Это еще три года.
Столь долгие сроки не устраивали современное общество, и наука активно работает над технологиями, которые сокращают те или иные этапы селекционного процесса, начиная от ускоренного выращивания растений (speed breeding) до методов отбора по ДНК последовательности (маркер-опосредованная селекция). Мы все больше узнаем о последовательности генов и об их функциях, что открывает возможность вносить изменения строго в те гены, которые необходимо усовершенствовать,— например, повысить морозоустойчивость растений или лежкость продукции. И для этого уже не нужно тратить десять лет! Но вопреки перспективности, растения, полученные с помощью новых генетических технологий, таких как, например, трансгенез, были запрещены для выращивания в России. При этом продукция, содержащая ГМО, но полученная в других странах, к ввозу в РФ разрешена. Вот такой парадокс.
Быстро, которое можно
Не так давно ученые предложили новый метод точного изменения генов — геномное редактирование. В классическом исполнении это достаточно точный вариант мутагенеза, не более того, и реализовать геномное редактирование возможно без внесения дополнительных генов, то есть не создавая ГМО. На выходе это будет новое растение с мутацией в гене интереса, и всё. Разработка таких вариантов (без ДНК, DNA-free) — это одно из главных направлений геномного редактирования растений во всем мире и у нас в России. Наша научная группа в ВНИИСБ и МФТИ ведет активные исследования в данной области. Но DNA-free пока достаточно трудоемкая технология, и многое еще предстоит сделать.
Мутации, возникшие в природе или созданные искусственно, обеспечивают генетическое разнообразие для селекции растений. Проще говоря, селекционеру есть из чего выбрать нужный фенотип для создания сорта, линии или гибрида. Интересно, что есть вид мутагенеза, который закодирован на уровне ДНК. Это прежде всего относится к мобильным элементам генома, участкам ДНК, которые способны перемещаться, производя мутации. Такое перемещение мобильных элементов, как оказалось, играет важнейшую роль в появлении новых признаков у сельскохозяйственных растений. В результате «геномных прыжков» появился, например, ароматный томат, разные варианты окраски лука, винограда и апельсина, большое разнообразие капустных и многое другое.
Таким образом, это направление имеет большие перспективы. Мы изучаем генетические механизмы природного мутагенеза и ищем альтернативные способы его ускорения. У каждого растения в геноме целая армия мобильных элементов, но 99% из них потеряли способность перемещаться. Мы овладели технологиями поиска «живых» мобильных элементов. Конечная цель — создать технологию контролируемой активации «живых» мобильных элементов, что позволит производить тюнинг сортов, привнося в них новые признаки. У таких сортов путь от селекционера до рынка сократится. Недавно мы ввели новое понятие — «биологический мутагенез» — для обозначения способов бестрансгенного (без ГМО) внесения мутаций в ДНК, используя биологические агенты, включая мобильные элементы, вирусы, а также белки и их комплексы с РНК.
Российский приоритет
И здесь нам, ученым ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии и МФТИ, удалось добиться самых значимых успехов. Так, например, ранее считалось, что выбор мобильным элементом места вставки в геноме — это случайный процесс, который было трудно отследить, так как необходимо было сравнивать разные поколения. Мы предложили новый метод. С помощью объединения технологии нанопорового секвенирования CANS с новым биоинформатическим методом NanoCasTE нам удалось впервые показать, куда перемещаются мобильные элементы в отдельных соматических клетках. Мы показали, что выбор мишени в геноме зависит от модификаций ДНК и связан с процессом синтеза последовательности РНК. Это опровергает давно сложившееся мнение, что все мутации возникают случайно. Наши результаты означают, что с помощью активации мобильных элементов мы можем получить мутации, которые будут находиться в генах или даже в определенной группе генов, что позволит намного эффективнее получать ценные фенотипы для селекции.
Изучение «клеточной логистики» мобильных элементов позволит расширить генетическое разнообразие сельскохозяйственных растений, использовав естественный, но ускоренный во много раз драйвер изменчивости ДНК. Наша команда уже изучила активизацию мобильных элементов в ответ на тепловой стресс у модельного и сельскохозяйственных видов растений (подсолнечник, рапс, соя и томат). Теперь нас интересует активация на биологический стресс, патогены, вирусы, холод. Изучение работы естественных механизмов приближает нас к основной цели — внесению мутаций, не прибегая к ГМО, что позволит быстро создавать генетическое разнообразие без юридических проволочек и лишних затрат. Сейчас у нас в руках сосредоточены методы активации мобильных элементов, с одной стороны, и новые методы отслеживания инсерций в геноме растений из мутагенных популяций — с другой. Эти методы и есть часть платформы биологического мутагенеза растений, которую мы сейчас собираем и ищем заинтересованных партнеров.