Одна из наиболее интересных секций на восьмом международном форуме «Технопром 2021» была посвящена развитию генетики и генетических технологий в нашей стране. В частности, использованию передовых достижений генетики в селекции растений. С докладом на эту тему выступила руководитель отделения «Курчатовский геномный центр ИЦиГ СО РАН», д.б.н. Елена Салина. Мы попросили Елену Артемовну рассказать, какие именно технологии используют в своей работе она и ее коллеги в ИЦиГ, что удалось достичь и какие задачи требуют первоочередного решения.

 
– Елена Артёмовна, почему новые генетические и клеточные технологии стали так востребованы в современном растениеводстве?

 
– Все объясняется очень просто. Население Земли постоянно растет и, соответственно, растет спрос на сельхозпродукцию, потому что всем людям надо регулярно кушать. А поскольку количество пахотных земель ограничено, необходимо повышать объем урожая, который на них собирают. В первой половине прошлого века эту задачу решали с помощью механизации работ, во второй половине – за счет использования удобрений. Но их применение тоже имеет свои ограничения, поэтому на рубеже веков сосредоточилось на мерах по защите и селекции растений. А теперь приходит пора применять для интенсификации сельского хозяйства методы биотехнологии. По прогнозам ученых, именно они будут обеспечивать рост урожайности в ближайшие десятилетия. Еще один важный момент – это изменение климатических условий. Оно требует быстрого реагирования при создании новых сортов, методы традиционной селекции здесь не подходят, поскольку они подразумевают работу над сортом в течение десятилетия и более. А это слишком долго в условиях меняющегося климата. Просто потому, что сегодня никто не сможет детально предсказать, каким он будет в том или ином регионе через десять лет.

 
– Что входит в понятие «генетические и клеточные технологии»?

 
– Основными технологиями в этом наборе на сегодня являются маркер-ориентированная и геномная селекция, геномное редактирование и дигаплоидные технологии. Сотрудники Курчатовского геномного центра ИЦиГ применяют в своей работе все вышеперечисленные технологии.

 
– Расскажите о них подробнее.

 
– Первые две технологии основаны на том, что нам известно некоторое число генов растения, связанных с конкретным его признаком (например, размером колоса или сроками колошения). И мы можем определить, есть эти гены в растении, или нет.  Если коротко и упрощенно, то маркер-ориентированная селекция отличается от геномной числом маркеров: в первом случае отбор по небольшому количеству маркеров к хозяйственно-ценным генам, обычно от одного до десяти, а во втором – отбор ведется по геному и число маркеров от 40 тысяч и более. Но в обоих случаях мы имеем более целенаправленный отбор растений на ранних этапах селекции. Особенно это удобно в работе с генами устойчивости к различным патогенам, потому что не всегда эти болезни проявляются в полевых испытаниях в полную силу и сложно правильно оценить защитный потенциал у новой линии. В результате, эти методы позволяют сократить срок работы над сортом примерно в два раза, 6-7 лет до передачи на сортоиспытания в Госкомиссию вместо 9-16 лет, если делать то же самое методами традиционной селекции. Мы работаем в этом направлении более десяти лет, некоторые образцы уже дошли до предварительного сортоиспытания, из последних результатов – мы научились ускорять и замедлять сроки колошения пшеницы в пределах трех-семи дней, в зависимости от пожеланий аграриев и текущих климатических условий в регионе, для которого создается сорт.

 
Параллельно мы работаем и в направлении геномной селекции, причем, с разными культурами. В числе задач, которые сейчас мы решаем – создание линий мягкой пшеницы яровой с высоким содержание белка и комплексной устойчивостью к грибным патогенам, линии ячменя на основе сортов, включенных в скрещивание с европейскими пивоваренными сортами и отбор линий сои отбор на высокое содержание белка, урожайность и ряд других ценных качеств.

 
– Я так понимаю, что эти технологии селекции пока широко в нашей стране не применяются. Почему?

 
– Для широкого внедрения любой новой технологии необходим ряд мер организационного характера, и маркер-ориентированная селекция не исключение. Часть таких мер уже предпринимается. Например, растет число научных лабораторий по молекулярному анализу, чьи сотрудники могли бы работать с такой технологией. Хорошо, что сейчас создаются научно-образовательные и селекционные центры, в которых такие лаборатории функционируют. Но тут встает острый вопрос нехватки кадров для таких лабораторий и селекционных центров, берущих на вооружение новую технологию. Если говорить о научных задачах, то не менее остро стоит вопрос расширения работ по поиску генов, определяющих хозяйственно-ценные признаки, и разработки маркеров к ним. Ну и конечно, сильно сказывается отсутствие в нашей стране баз данных по разработанным маркерам к генам, методам идентификации и критериям их применения. Сейчас наши исследователи работают с американской базой MasWheat, но информация из нее требует дополнительной верификации. Мы, начиная с 2016 года работаем над своей базой данных, программная часть ее создана, но теперь надо решить задачу ее постоянного пополнения. Еще одна большая проблема для развития новых биотехнологий, что ярко видно на примере геномной селекции – отсутствие производства отечественных секвенаторов. Приходится работать с импортным оборудованием и расходными материалами, которые очень дорого стоят, что часто становится чуть ли не главным барьером для внедрения этих технологий в работу селекционных центров.

 
- Ученые научились ускорять процесс селекции пшеницы в разы с помощью кукурузы. А что такое дигаплоидные технологии?

 
– Так называют набор методов, который позволяет стабилизировать уже в первом поколении гибрида набор генов, полученных от родителей. В традиционной селекции отбор ведется в нескольких поколениях, чтобы убедиться, что необходимый признак закрепился в потомстве, полученном в результате гибридизации. А линии дигаплоидных растений уже после первого поколения являются непосредственными кандидатами в сорта, так как в них эти признаки уже закреплены.

 
– Как это работает?

 
– Есть несколько подходов. Один - использует пыльцу, из которого получают проростки, затем проводят их обработку для получения нормального (двойного) набора хромосом. Для другого подхода на стадии опыления нужно нанести на соцветия растения дополнительно пыльцу другого вида, который в данной технологии называется гаплопродьюсер. Этот процесс фиксирует гаплоидный набор генов материнского растения, предотвращает его расщепление в последующих поколениях. Главное, найти подходящего кандидата на роль гаплопродьюсера. В нашей работе с пшеницей таким растением является кукуруза, точнее, ее пыльца. Мы проверили оба этих подхода экспериментально, создавая дигаплоидные линии мягкой пшеницы яровой с разной пирамидой генов устойчивости к грибным патогенам, и в настоящее время успешно отрабатываем применение данной технологии в промышленных масштабах, когда речь идет не о единицах, а сотнях растений конкретной селекционной линии. Хочу отметить, что применение этой технологии позволяет сократить сроки селекции, как минимум, втрое.

 
– Редактирование геномов вы тоже применяете?

 
– Да, эта технология стала бурно развиваться после открытия метода редактирования Crispr/Cas9. Но заметно, что многие (особенно не специалисты) склонны преувеличивать его возможности, а главное – простоту применения. На самом деле, использование методов редактирования генома требует тщательно проработки на каждом из этапов. А самое главное – правильно выбрать целевую нуклеотидную последовательность в геноме. Иначе говоря, участок ДНК, который будет подвергаться редактированию. Чтобы лучше понять, насколько это сложная задача, напомню, что геном пшеницы в 5 раз превышает геном человека. Полное его секвенирование длилось несколько лет и только недавно завершилось, а работы по интерпретации результатов будут длиться еще долго. И это сильно ограничивает сегодняшние возможности мировой науки в его использовании для создания новых сортов. Тем не менее, это очень перспективная технология, поскольку, позволяет изменять или отключать практически любой ген и тем самым открывает большие возможности для создания экспериментальных моделей и улучшения свойств сельскохозяйственных культур. Поэтому мы работаем и с этой технологией, в частности, используем ее для получения голозерного ячменя. Голозерные сорта ячменя востребованы на рынке, они проще в обработке и считается, что благодаря тому, что их не надо лущить, во внешнем слое зерна сохраняется больше ценных питательных веществ.

 
– А для внедрения дигаплоидных технологий и редактирования генома какие есть барьеры?

 
– Они почти такие же, что и в случае с маркер-ориентированной селекцией, разница в деталях. Так же не хватает кадров, нужны специальные образовательные программы в вузах, для подготовки специалистов. Не хватает оборудования, необходимо усовершенствование фитотронов отечественного производства различного объема для выращивания растений, культуры in vitro в строго заданных условиях. Нужна разработка частиц для биобалистики, что является частью процесса редактирования генома (недавние проблемы с ввозом этих материалов сильно затормозили работу исследователей по всей стране и показали, чем чревата зависимость от импорта).

 
Фото: Россельхозбанк
 

Источники

"Биотехнологии кардинально меняют процесс селекции"
Академгородок (academcity.org), 16/09/2021

Похожие новости

  • 11/08/2020

    Медалью РАН отмечена работа новосибирского генетика Антонины Киселёвой

    ​Недавно прошел конкурс на награждение медалями РАН для молодых ученых России по итогам 2019 года. В числе победителей – научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН (лаборатория молекулярной генетики и цитогенетики растений) к.
    639
  • 07/02/2020

    Ген устойчивости: как вывести новый сорт пшеницы

    ​Учёный Вячеслав Пискарёв о том, как вывести новый сорт пшеницы и едим ли мы генномодифицированный пшеничный хлеб. В 2019 году гранты правительства Новосибирской области получили 12 учёных, среди которых заведующий лабораторией генофонда растений Сибирского научно-исследовательского института растениеводства и селекции (филиал ИЦиГ СО РАН), кандидат сельскохозяйственных наук Вячеслав Пискарев.
    2170
  • 14/01/2021

    О любительских коллекциях посадочного материала как гарантии сельскохозяйственного биоразнообразия

    На прошлогодней Международной конференции по генетике и селекции растений, организованной Институтом цитологии и генетики СО РАН, прозвучал один тревожный факт, которому я раньше не придавал особого значения.
    446
  • 01/03/2021

    Культурная палитра: что сеять в Сибири в 2021

    ​Структура посевов для агронома как холст для художника — разными красками выделяются культуры на полях. И чем больше красок, тем больше возможностей открывается перед хозяйством для сбыта, соответственно, для роста и развития.
    834
  • 28/03/2016

    Иван Лихенко: «Если твое учреждение реформируют, надо в этом участвовать»

    ​​В этом году Сибирский НИИ растениеводства и селекции отмечает юбилей: одному из старейших научных учреждений Западной Сибири исполняется 80 лет.  О том, с каким багажом СибНИИРС подходит к этой дате и какие задачи стоят перед селекционерами "на будущее", мы попросили рассказать его руководителя, доктора сельскохозяйственных наук Ивана Лихенко.
    2514
  • 03/02/2021

    В Новосибирской области упразднена карантинная фитосанитарная зона по западному цветочному трипсу

    В Новосибирской области со 2 февраля 2021 года отменен карантинный фитосанитарный режим и упразднена ранее установленная карантинная фитосанитарная зона западному цветочному трипсу (Frankliniella occidentalis Perg.
    417
  • 03/06/2020

    Ученые вывели пшеницу, которая защищает человека от вирусов

    Омские селекционеры вывели новые сорта цветной пшеницы, которые помогут повысить иммунитет, защитив от болезней и вирусов. И сумели окультурить пырей до уровня многолетней пшеницы. Посеял один раз - и семь лет собирай урожай.
    1024
  • 29/04/2021

    Новая магистерская программа по генетике и селекции

     ​​Институт цитологии и генетики СО РАН совместно с Новосибирским государственным аграрным университетом запустили новую магистерскую программу по генетике и селекции. ​Видео  
    837
  • 22/03/2021

    Ускоренный отбор. Генетические технологии обеспечивают продовольственную безопасность

    ​ В свое время создание сорта яровой пшеницы «Новосибирская-67» окупило первую очередь строительства Новосибирского Академгородка, как отмечал отец-основатель Сибирского отделения АН СССР академик Михаил Лаврентьев.
    808
  • 24/07/2020

    Черную пшеницу и синий ячмень вывели новосибирские генетики

    ​Новосибирские генетики доказали – человеческий гормон меланин содержат многие растения. Более того, представители флоры умеют общаться друг с другом. Статью опубликовали в авторитетном научном журнале, а на экспериментальные поля высадили разноцветный ячмень, который получился в результате генетических изменений.
    1941