БУДЕТ ЛИ СЛЕДУЮЩАЯ "ЗЕЛЕНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ"?

ТРИУМФ КАРЛИКОВ

В 1970 году Норману Борлаугу присудили Нобелевскую премию мира за так называемую "зеленую революцию". В чем же она заключалась? К середине XX века сельское хозяйство получало огромное количество минеральных удобрений, но существующие сорта растений не могли эффективно трансформировать их в урожай зерна. Из-за высоких концентраций питательных веществ в почве злаки быстро росли, набирали зеленую массу, а затем полегали, что существенно снижало намолоты. При этом индекс урожая (отношение веса зерна к общему весу наземной массы) был значительно ниже 50 процентов, то есть основным продуктом оказывались солома и листья (даже в пересчете на сухое вещество).

Для борьбы с полеганием Борлауг предложил использовать растения с коротким стеблем. Признак короткостебельности достаточно просто контролируется генетически и легко передается через гибридизацию. Полученные Борлаугом полукарликовые сорта также формируют большую наземную массу, но уже за счет высокой кустистости, при этом не полегают и дают хороший урожай с индексом около 50 процентов. Кроме того, эти сорта обеспечивают более эффективное использование удобрений.

Растения обычных сортов вначале накапливают соединения азота в зеленой массе, а затем после цветения переносят их в зерновки. Короткостебельные сорта отличаются тем, что восстанавливают и переносят азот до тех пор, пока не закончится налив семян. Усвоение азота из почвы у них продолжается много дольше и приводит к большей продуктивности. Благодаря "зеленой революции" Мексика за 15 лет увеличила производство пшеницы в три раза (на аналогичный прирост Европе потребовалось 150 лет) и из крупнейшего импортера превратилась в экспортера зерна.

Залог успеха "зеленой революции" в том, что базовый признак, на основе которого строилась селекционная технология, имеет простой генетический контроль и со 100-процентной вероятностью передается потомкам. Именно это позволило создать и поддерживать необходимую на практике устойчивую генетическую систему.

В конце прошлого века наиболее сенсационным научным событием стало, несомненно, клонирование овцы в Эдинбурге (Великобритания). Нет ничего удивительного в том, что эти эксперименты взбудоражили общество: результат, полученный на млекопитающих, впечатляет уже потому, что его можно явно или неявно примерить к человеку. Овечка Долли настолько приковала к себе всеобщее внимание, что на этом фоне в России остались незамеченными сообщения об "апомиктической революции" и ее перспективах, появившиеся в западных популярных и научных изданиях. Приведем заголовки лишь некоторых из них: "Апомиксис: социальная революция сельского хозяйства" ("Biotechnology & Development Monitor", 1994); "Апомиксис: бесполая революция" ("Science", 1996); "Революция в производстве гибридной кукурузы" ("Agricultural Research", 1998); "Никакого секса, пожалуйста, мы - растения" ("Economist", 1997); "Огромное будущее апомиксиса" ("Trends in Plant Science", 1998).

Из приведенных заголовков видно, что как научные, так и популярные издания, обсуждая прикладное значение генетически регулируемого апомиксиса, используют термин "революция". Иными словами, все признают глубину преобразования агротехнологий в случае практического освоения данного способа репродукции растений.

Что же такое апомиксис? Это специфический способ размножения, позволяющий получать абсолютные генетические копии материнского растения, то есть созданная природой технология клонирования. Чтобы понять, в чем заключается принципиальное значение апомиксиса для селекции, начнем со сравнительного анализа полового и апомиктичного типов размножения.

Наиболее часто встречающийся и знакомый всем половой способ размножения сельскохозяйственных растений связан с циклическим чередованием спорофитной и гаметофитной фаз. Спорофит - обычная, наблюдаемая нами форма растений, несущая двойной набор хромосом. Гаметофитная фаза у цветковых растений весьма коротка и характеризуется одинарным (гаплоидным) набором хромосом. Напомним, что хромосомы - это структурные элементы ядер клеток, в которых содержится ДНК, несущая практически всю генетическую информацию. Каждый вид растений имеет строго определенное число и характерную форму хромосом. В световой микроскоп хромосомы можно увидеть только тогда, когда клетка начинает готовиться к делению и ДНК конденсируется с помощью белков.

Специальные клетки в органах размножения, имеющие двойной набор хромосом, проходят клеточное деление особого типа - мейоз. Образуются микроспоры (мужские клетки) и мегаспоры (женские клетки), которые несут одинарный хромосомный набор. Эти клетки снова делятся, но уже по механизму митоза, при котором число хромосом в дочерних клетках не изменяется. Из микроспоры формируется трехъядерная пыльца, а из мегаспоры - восьмиядерный зародышевый мешок, заключенный в материнскую семяпочку. После оплодотворения образуются диплоидный зародыш и триплоидный эндосперм.

Замечательное следствие этих событий в том, что набор хромосом во вновь образованных спорофитах снова диплоидный, но генотип каждого потомка (совокупность генов) качественно отличается от родительских и между собой, то есть каждый потомок уникален и непохож на родителей.

Зачем нужны такие довольно длинные пути создания и объединения половых продуктов? Казалось бы, проще размножаться почкованием, чем тратить энергию и строительные материалы на формирование органов полового размножения, тем более, что всегда есть риск, что растение окажется неопыленным, то есть не оставит потомства и выбудет из борьбы за существование. Однако смысл в том, что живым организмам необходимо постоянно адаптироваться к изменяющимся условиям среды, то есть иметь запас вариабельности, что и достигается через комбинативную изменчивость, сопровождающую половое размножение.

Так, например, у ячменя имеется 7 пар хромосом, поэтому при формировании гаплоидных половых клеток возможны 128 (2⁷) вариантов их комбинаций. В свою очередь при оплодотворении возможное число вариантов потомков будет равно числу сочетаний из 128 по 2, что обеспечивает огромный резерв изменчивости.

Кроме того, размножение через семенную фазу в отличие от вегетативного служит мощным барьером против клеточных инфекций. Вспомните, сколько проблем доставляет картофель, который поражают более 500 видов внутриклеточных паразитов.

Если в дикой природе комбинативная изменчивость -необходимый компонент устойчивости и приспособляемости вида, то у культурных сортов она нежелательна, так как разрушает ценные комбинации генов, контролирующих хозяйственно-полезные признаки, по крупицам собранные поколениями селекционеров. Поэтому существует настоятельная необходимость уйти от половой репродукции, и одна из возможностей сделать это - бесполосеменное размножение (апомиксис). При апомиксисе жизненный цикл укорочен, а эмбриогенез осуществляется в результате деления неоплодотворенных клеток, не прошедших через редукцию (стадию уменьшения) числа хромосом. При этом происходит передача полного материнского генотипа следующему поколению, то есть клонирование.

В основном у растений встречаются два типа апомиксиса - диплоспория и апоспория. При диплоспории зародышевый мешок развивается из материнской клетки мегаспоры, не прошедшей мейоза, и таким образом неоплодотворенная яйцеклетка, которая далее дает начало следующему поколению, воспроизводит генетическую копию материнского растения. При апоспории зародыш формируется из соматической клетки и также является абсолютным генетическим клоном.

Отсюда можно заключить, что бесполосеменное размножение позволяет поддерживать генетически стабильный клон через семенное размножение неограниченно долго. Если добиться наследствен но контролируемого превращения половых растений в апомиктические, то мы революционизируем селекционные технологии. Так, например, гетерозисные (высокопродуктивные) гибриды экономически очень выгодны. Однако их использование рентабельно только тогда, когда от одного акта опыления получают не менее 500-1000 семян. По этим причинам гетерозис успешно реализован на практике лишь у многосемянных культур (кукуруза, томаты, огурцы). Основные хлебные злаки и рис, несмотря на многочисленные попытки, остались за чертой гибридной селекции; между тем решение этой проблемы позволило бы увеличить производство на 15-30 процентов на уже освоенных площадях.

Многие дикие растения апомиктичны от природы (одуванчик, мятлик, лапчатка), однако среди культурных видов их единицы (некоторые кормовые травы, малина, земляника). У читателя может возникнуть вопрос: если апомикты имеют столько замечательных качеств, почему они оказались вне практического использования? Ответ прост: именно отсутствие необходимой для совершенствования растений вариабельности не позволяло отбирать среди них ценные для селекции варианты. Еще в самом начале окультуривания растений человек неосознанно работал с материалом, способным выщеплять необходимые для улучшения признаки, что позволяло пересортировывать их, используя половое размножение, и таким образом совершенствовать агрономические качества. Апомиксис как раз исключает эту возможность. В свое время отсутствие расщепления в опытах на апомиктичной ястребинке заставило Менделя усомниться во всеобщем характере принципов гибридологического поведения признаков, открытых им на горохе. По этой же причине только в самое последнее время удалось селекционно улучшить некоторые апомиктичные кормовые травы.

Первый в мире проект по созданию апомиктичного коммерческого сорта у культурных растений был объявлен и начат в СССР в 1958 году. Его автор - профессор Д. Ф. Петров, создавший для выполнения данного исследования лабораторию цитологии и апомиксиса растений в только что организованном Институте цитологии и генетики Сибирского отделения Академии наук. Однако идея закрепления гетерозиса через размножение, исключающее сегрегацию генов, принадлежит замечательным ученым, сотрудникам Н. И. Вавилова, - М. С. Навашину и Г. Д. Карпеченко, с которыми Петров работал перед войной в знаменитом ВИРе (Всесоюзном институте растениеводства). Получение апомиктов планировалось на важнейшей сельскохозяйственной культуре - кукурузе.

В работе, начатой Д. Ф. Петровым, использовали несколько подходов, некоторые из которых сейчас кажутся наивными, но они вполне соответствовали научным представлениям того времени. Один из них оказался продуктивным и продолжается в России в нашей лаборатории, а также в США, во Франции, в Мексике до настоящего времени. В этом исследовании передачу кукурузе (Zea mays L. - Zm) апомиктического способа репродукции осуществляли от ее дикого сородича - трипсакума (Tripsacum dactyloides L. - Td) путем гибридизации. Предполагалось, что бесполосеменное разможение у трипсакума контролируется двумя генами: один препятствует редукции числа хромосом, другой стимулирует развитие эмбриона из яйцеклетки, минуя опыление. Отсюда можно заключить, что для передачи такого типа размножения кукурузе необходимо перенести максимум две хромосомы от трипсакума в случае расположения предполагаемых генов в разных хромосомах. Считалось, что присутствие столь незначительного генетического материала от дикого родителя не окажет решающего влияния на внешний вид и хозяйственно-полезные признаки апомиктичной кукурузы.

На основе таких допущений и начались скрещивания кукурузы с ее диким родственником - трипсакумом. К удаче исследователей, оказалось, что признак бесполосеменного размножения передается по наследству получаемым гибридам.

Д. Ф. Петров и его коллеги создали целый ряд апомиктических гибридных линий. Наиболее стабильными из них были 38-хромосомные (20Zm+18Td), то есть содержащие 20 хромосом кукурузы и 18 хромосом трипсакума. Но они из-за большого количества генетического материала от дикого родителя оказались далеки от кукурузы, что исключало перспективу их коммерческого использования.

Исходя из знаний генетики кукурузы, мы могли надеяться на достаточно быстрое "совершенствование" гибридов в сторону культурной формы. Американские генетики к середине 90-х годов прошлого столетия показали, что культурная кукуруза отличается от дикой единичными генами, контролирующими развитие (по разным оценкам, от 3 до 5). Поэтому, проводя отбор среди естественных и искусственно получаемых мутантов, можно достаточно просто усилить агрономически ценные признаки у бесполосеменных гибридов. Используя гамма-лучи в качестве мутагенного фактора, сотрудник нашей лаборатории Б. Ф. Юдин получил "кукурузоподобные" 58-хромосомные гибриды, весьма близкие к культурному родителю. Эти растения, как и кукуруза, имели по одному стеблю и по 12-14 рядов в початке. К сожалению, после обработки гамма-лучами признак апомиксиса проявлялся нестабильно, но стало очевидным, что совершенствование агрономичес ких признаков у гибридов реально.

В 1993 году мы получили предложение Министерства сельского хозяйства США провести совместные исследования по апомиктичной кукурузе с использованием нашего экспериментального материала. Кроме того, проект поддержал Российский фонд фундаментальных исследований. Работа была начата весной 1994 года в Оклахоме (США). Среди привезенных из Новосибирска линий гибридов сразу же удалось выявить несколько 39-хромосомных апомиктов. Примечательно то, что все они имеют идентичный набор из девяти одних и тех же хромосом трипсакума. Именно эти девять хромосом минимально необходимы для поддержания апомиктического способа размножения у гибридов. К сожалению, "дикие" хромосомы довольно существенно ухудшали хозяйственно-важные признаки культуры, прежде всего вес семян. У гибридов он был в среднем равен 0,06 г, что гораздо ближе к весу семян трипсакума (~0,03 г), чем кукурузы (~0,22 г). Кроме того, с точки зрения коммерческой перспективы была нежелательна избыточная кустистость гибридов.

Понимая, что апомиктичные гибриды должны будут конкурировать за рынок с кукурузой, мы провели сравнительный анализ признаков, по которым они ее превосходят. К таковым необходимо отнести урожай зеленой массы, высокое содержание в ней протеина и других переваримых компонентов, содержание в семенах полиненасыщенных жирных кислот, устойчивость растений к засухе, переувлажнению и засолению почвы.

Эти несомненные преимущества позволили бы уже сейчас использовать гибриды в качестве фуражной культуры. Однако пока они не могут давать семян из-за полной мужской стерильности (апомиктам необходимо оплодотворение центральной клетки, иначе зерновки не развиваются). Чтобы получить потомство от гибридов, приходится рядом высевать кукурузу в качестве опылителя. У первоначально выделенных 39- и 49-хромосомных линий фертильность (количество способных к дальнейшему развитию семян) была не более 3-5 процентов на початок. Нам удалось выяснить, что в значительной степени это связано с особенностями роста пыльцевых трубок при опылении. Подбором опылителей и других факторов удалось добиться 50-процентной фертильности, что с учетом большого числа початков на растениях-гибридах позволяет им конкурировать по семенной продуктивности с кукурузой.

Наша апомиктичная кукуруза уже запатентована в США и в 11 других странах. Но самое главное, создана огромная коллекция апомиктичных линий, которую можно будет использовать в качестве исходного материала как в академических исследованиях, так и в практической работе по созданию коммерческих сортов.

Сейчас стоит вопрос, кто первым в мире создаст апомиктичное культурное растение и реализует коммерческий сорт с использованием этого типа размножения. Двадцать лет назад нам казалось, что это будет сделано в нашей стране. Десять лет назад у нас появились сразу два сильных конкурента - Вэйн Ханна, работающий с жемчужным просо в США, и Ив Савидан, очень быстро повторивший наш путь гибридизации кукурузы с трипсакумом (совместный проект Международного института пшеницы и кукурузы в Мексике). Активно работают по генетике апомиксиса на модельных объектах Австралия и Европейский союз, постоянно привлекая российских ученых, к сожалению, лишь на правах исполнителей.

Сможем ли мы при столь значительной конкуренции сохранить позиции в дальнейшем? Науку делают не только идеи, но и методы, требующие значительных материальных ресурсов, а наши ресурсы несопоставимо меньше, чем у конкурентов. Достаточно долго нам удавалось, имея существенный задел, сохранять лидерство. Однако его легко потерять, и в данном случае навсегда, так как все, сделанное после первого апомиктического сорта, будет только повтором. Итак, вопрос о новой "зеленой революции" пока открыт, но до ее начала остается немного времени. Кто же будет первым? Вопрос в науке не праздный, ибо, как считал П. Л. Капица, быть лидером в науке или идти, пусть на полшага, но позади - принципиально разные состояния. Сможет ли российская наука адекватно отреагировать на вызов времени или мы будем с грустью вспоминать былые успехи и то, что Россия была духовной матерью второй "зеленой революции"? Здесь возможно повторение ситуации, случившейся с первой "зеленой революцией". Работа по созданию неполегающих пшениц на хорошо удобренных почвах была начата и успешно развивалась в 30-е годы XX века в Италии. Однако итальянским исследователям начатую работу не удалось довести до мирового признания, прежде всего из-за ее невостребованности и изоляции страны при Муссолини, а после войны идея была реализована Н. Борлаугом.