РЕВОЛЮЦІЯ КЛОНІВ: насіння без статі змінить наш світ

Arabidopsis thaliana на різних стадіях життєвого циклу (за матеріалами Krämer, 2015) / researchgate.net

Зовні ці рослини можуть здатися звичайними, але насправді їхні гени є чимось революційним. Вони здатні створювати власні клони. Науковці сподіваються, що експерименти із безстатевим насінням відкриють нову еру у виробництві харчових продуктів.

НАСЛІДУЮЧИ ПРИРОДУ

На сході Австралії вже готуються до першого збору врожаю морозостійкого сорго Hy-Gain. Цей сорт протягом останнього десятиріччя виводили із «безстатевих насінин» вчені Університету Квінсленда у Брісбені. Цю технологію дослідники запозичили у природи. Апоміксис — так називають форму вегетативного розмноження у рослин, за якої насіння утворюється без участі чоловічих статевих клітин. Науці відомо понад 300 видів рослин, які клонують своє насіння за допомогою апоміксису. Здебільшого це квіткові рослини, серед них немає жодного важливого для сільського господарства виду зернових. Тому австралійські науковці й поставили собі завдання: впровадити апоміксис у такі культури, як сорго, рис і кукурудза. Вони вважають, що нові сорти здатні радикально трансформувати сільське господарство. Особливо цінними сорти, навчені самоклонуванню, будуть для регіонів, де є проблеми з виробництвом продуктів харчування.

ДАЄШ ГІБРИДНУ СИЛУ!

Очікується, що ставка на безстатеве насіння змінить насамперед виробництво гібридного насіння, яке вже стало звичним для кількох поколінь фермерів. Гібридне потомство, отримане при схрещуванні двох батьківських сортів статевим шляхом, зазвичай перевершує за своїми характеристиками батьків. Це явище отримало назву «гібридна сила». Завдяки їй у період з 1930-х до середини 1990-х років врожайність кукурудзи у США зросла у 7 разів. Однак створення гібридів — процес трудомісткий, дороговартісний і тривалий. Особливо для таких культур, як пшениця та соя. Гібридне насіння доводиться створювати й закуповувати заново щороку. Бо якщо гібриди залишити самозапилюватися, то вони дають змішаний урожай — різні комбінації непередбачуваної якості. Однак апоміксис стабілізує цю «гібридну силу», оскільки гібрид клонує сам себе. Таким чином, селекціонери та фермери отримують доступ до нескінченного запасу високоякісних ідентичних рослин — елітні сорти зберігатимуть ознаки з покоління в покоління.

«ІНШИЙ» СТАТЕВИЙ ШЛЯХ

Технології самоклонування сільськогосподарських культур мають уже досить тривалу історію. Генетична основа апоміксії стала очевидною для біологів приблизно у 1940-х роках. Та лише у 1990-х вони почали розуміти, що ця ознака не скасовує статеве розмноження. Радше це просто «інший статевий шлях», для якого потрібно дотриматися двох обов’язкових умов. Перша — порушити поділ клітин під час формування яйцеклітин і сперматозоїдів. Друга — сформувати ембріон незалежно від запліднення. У 2009 році спостереження за штучно викликаними мутаціями рослин нарешті дало свої плоди. Дослідники навчилися успішно переривати процес статевого поділу клітин та штучно імітувати природні процеси, які характерні для природних апоміктів.

ЯК ПІДВИЩИТИ ФЕРТИЛЬНІСТЬ КЛОНІВ

«Робочою конячкою» експерименту став мутований родич звичайної капусти — Arabidopsis thaliana. Автори експерименту назвали цю технологію MiMe, натякаючи на те, що мутант був створений шляхом простішого клітинного поділу — мітозу, а не складнішого — мейозу. Технологія MiMe відкрила найширші перспективи для інженерії апоміксії у рослин. У 2016 році було отримано MiMe рису, а в 2024-му — томата. Щоправда, виникло одне прикре обмеження — рослини хоча й могли клонувати самі себе, але фертильність у кожному поколінні неухильно падала. Розв’язати чергову головоломку науковцям допомогла кукурудза. Скринінг 60 000 мутантів цієї культури дав змогу виявити один-єдиний ген, порушення якого призводить до формування приблизно третини яйцеклітин шляхом мітозу, а не мейозу. Його назвали nrf4, або «нередуктивний жіночий ген 4».

ЧОЛОВІЧІ КЛІТИНИ? ЦЕ ЗАЙВЕ!

Партеногенез — ще один термін, важливий для розуміння того, як працює самоклонування. Це форма розмноження жіночих статевих клітин, за якої ембріон формується безпосередньо із незаплідненої яйцеклітини — самець для цього не потрібен. Партеногенез спостерігається не лише у рослин. Наприклад, він виявляється у бджіл, попелиць, дафній, ящірок і риб. Головна перевага партеногенезу — можливість швидкого збільшення популяції без участі самців. У 2006 році інша команда науковців звернула увагу на Cenchrus squamulatus — ценхрус лускатий. Цей апомікт мав геном, здатний викликати справжній бебі-бум, провокуючи рослинну тканину на спонтанне формування ембріонів. Така технологія отримала відповідну назву — BABY BOOM. У 2016 році дві команди вчених — MiMe і BABY BOOM — об’єднали зусилля і дві технології разом. Результатом став апоміктичний рис, що розмножується клонами самого себе. У 2024 році його фертильність досягла рівня гібрида.

НА НАС ЧЕКАЄ ВИБУХ «ГІБРИДНИХ» КЛОНІВ

Дослідники вважають, що апоміксис має багатообіцяюче майбутнє. Нову технологію порівнюють із винаходом Гутенбергом механізованого друкарського верстата у XV столітті, коли різноманітність зростала стрімкими темпами, почавшись із однієї-двох книг. Так само вибуховим чином може зростати кількість і різноманітність доступних гібридів, адаптованих до місцевих кліматичних умов. Це кардинально здатне вплинути на нашу цивілізацію, зробивши їжу ще дешевшою і досяжнішою для мільйонів людей. Зокрема, незабаром доступ до недорогих високоврожайних сортів коров’ячого гороху та сорго, ймовірно, отримають дрібні фермери в країнах Африки на південь від Сахари. Вони матимуть змогу зберігати клоноване насіння для посіву протягом декількох років, що суттєво знизить витрати.

«КЛОНОВА ЛИХОМАНКА»

Апоміктичні рослини викликають великий інтерес у корпорацій, що працюють на світовому ринку насіння. Апоміксис різко знижує витрати коштів і часу, необхідних для створення нових сортів. З комерційної точки зору найбільш перспективним видається самоклонування рису — зернової культури, яка забезпечує харчуванням понад половину населення світу. За останні роки різні компанії подали десятки заявок на апоміктичні культури. На жаль, намагаючись виграти в конкуренції одна з одною, корпорації дещо забігають наперед — технології самоклонування ще до кінця не доопрацьовані вченими. Не надто успішними, приміром, є клоноване насіння овочевих, плодових та олійних культур. Однак вчені налаштовані оптимістично: у природі вочевидь існує безліч невідомих апоміктичних генів, які ще належить відкрити науці.

Оригінальне дослідження: