РЕВОЛЮЦИЯ КЛОНОВ: бесполые семена изменят наш мир

Arabidopsis thaliana на разных стадиях жизненного цикла (по материалам Krämer, 2015) / researchgate.net

Эти растения с виду могут показаться обычными, но на самом деле их гены представляют собою нечто революционное. Они способны создавать собственные клоны. Ученые ожидают, что эксперименты с бесполыми семенами откроют новую эру в производстве продуктов питания.

ПОДРАЖАЯ ПРИРОДЕ

На востоке Австралии уже готовятся к первому сбору урожая морозостойкого сорго Hy-Gain. Этот сорт в течение последнего десятилетия из «бесполых семян» выводили ученые Университета Квинсленда в Брисбене. Технологию эту исследователи подсмотрели у природы. Апомиксис — так называется форма вегетативного размножения у растений, при которой семена образуются без участия мужских половых клеток. Науке известны более 300 видов растений, которые клонируют свои семена посредством апомиксиса. В основном это цветковые, ни одного важного для сельского хозяйства вида зерновых среди них нет. Поэтому австралийские ученые и поставили перед собой задачу: внедрить апомиксис в такие культуры, как сорго, рис и кукуруза. Они полагают, что новые сорта способны радикальным образом трансформировать сельское хозяйство. Особенно ценными обученные самоклонированию сорта будут для регионов, где есть проблемы с производством продуктов питания.

ДАЕШЬ ГИБРИДНУЮ СИЛУ!

Ожидается, что ставка на бесполые семена изменит прежде всего производство гибридных семян, которые стали привычными уже для нескольких поколений фермеров. Гибридное потомство, получаемое при скрещивании двух родительских сортов половым путем, обычно превосходит по своим характеристикам родителей. Это явление получило название «гибридная сила». Благодаря ей в период с 1930-х до середины 1990-х годов урожайность кукурузы в США выросла в 7 раз. Однако создание гибридов — процесс трудоемкий, дорогостоящий и длительный. Особенно для таких культур, как пшеница и соя. Гибридные семена приходится создавать и закупать заново каждый год. Потому что если гибриды оставить самоопыляться, то они дают смешанный урожай — различные комбинации непредсказуемого качества. Однако апомиксис эту «гибридную силу» стабилизирует, поскольку гибрид клонирует сам себя. Таким образом, селекционеры и фермеры получают доступ к бесконечному запасу высококачественных идентичных растений — элитные сорта будут сохранять признаки из поколения в поколение.

«ИНОЙ» ПОЛОВОЙ ПУТЬ

У технологий самоклонирования сельхозкультур уже довольно длительная история. Генетическая основа апомиксиса стала очевидна биологам примерно к 1940-м годам. Но только в 1990-х они начали понимать, что этот признак не отменяет половое размножение. Скорее это просто «иной половой путь», для которого нужно соблюсти два обязательных условия. Первое — нарушить деление клеток при формировании яйцеклеток и сперматозоидов. Второе — сформировать эмбрион независимо от оплодотворения. В 2009 году наблюдение за искусственно вызванными мутациями растений наконец дало свои плоды. Исследователи научились успешно прерывать процесс полового деления клеток и искусственно имитировать естественные процессы, которые характерны для природных апомиктов.

КАК ПОВЫСИТЬ ФЕРТИЛЬНОСТЬ КЛОНОВ

«Рабочей лошадкой» эксперимента стал мутировавший родственник обычной капусты — Arabidopsis thaliana. Авторы эксперимента назвали эту технологию MiMe, намекая на то, что мутант был создан путем более простого клеточного деления — митоза, а не более сложного — мейоза. Технология MiMe открыла широчайшую перспективу для инженерии апомиксиса у растений. В 2016 году было получено MiMe риса, а в 2024-м — томата. Правда, возникло одно досадное ограничение — растения хотя и могли клонировать сами себя, но фертильность в каждом поколении неуклонно падала. Решить очередную головоломку ученым помогла кукуруза. Скрининг 60 000 мутантов этой культуры помог выявить один-единственный ген, нарушение которого приводит к формированию примерно трети яйцеклеток путем митоза, а не мейоза. Его назвали nrf4, или «нередуктивный женский ген 4».

МУЖСКИЕ КЛЕТКИ? ЭТО ЛИШНЕЕ!

Партеногенез — еще один термин, важный для понимания того, как работает самоклонирование. Это форма размножения женских половых клеток, при которой эмбрион формируется непосредственно из неоплодотворенной яйцеклетки — самец для этого не требуется. Партеногенез наблюдается не только у растений. Например, он обнаруживается у пчел, тли, дафний, ящериц и рыб. Главное преимущество партеногенеза — возможность быстрого увеличения популяции без участия самцов. В 2006 году другая команда ученых обратила внимание на Cenchrus squamulatus — ценхрус чешуйчатый. Этот апомикт обладал геном, который способен производить самый настоящий бэби-бум, провоцируя растительную ткань на спонтанное формирование эмбрионов. Такая технология получила соответствующее название — BABY BOOM. В 2016 году две команды ученых — MiMe и BABY BOOM — объединили усилия и две технологии вместе. Результатом стал апомиктичный рис, размножающий клонами самого себя. В 2024 году его фертильность достигла уровня гибрида.

НАС ОЖИДАЕТ ВЗРЫВ «ГИБРИДНЫХ» КЛОНОВ

Исследователи считают, что у апомиксиса многообещающее будущее. Новую технологию сравнивают с изобретением механизированного печатного станка Гутенберга в XV веке, когда разнообразие увеличивалось взрывными темпами, начавшись с одной-двух книг. Точно так же взрывным образом может расти количество и разнообразие доступных гибридов, адаптированных к местным климатическим условиям. Это кардинальным образом способно повлиять на нашу цивилизацию, сделав еду еще более дешевой и доступной для миллионов людей. Например, в скором времени доступ к недорогим высокоурожайным сортам коровьего гороха и сорго, вероятно, получат мелкие фермеры в странах Африки к югу от Сахары. Они смогут сохранять клонированные семена для посева в течение нескольких лет, что еще больше снизит затраты.

«КЛОНОВАЯ ЛИХОРАДКА»

Большой интерес апомиктичные растения представляют для корпораций, работающих на мировом рынке семян. Апомиксис резко снижает затраты средств и времени, необходимых для создания новых сортов. С коммерческой точки зрения наиболее перспективным представляется самоклонирование риса — зерновой культуры, которая обеспечивает питанием более половины населения мира. За последние годы различные компании подали десятки заявок на апомиктичные культуры. К сожалению, пытаясь выиграть в конкуренции друг с другом, корпорации несколько забегают вперед — технологии самоклонирования еще до конца не доработаны учеными. Не особо успешны, к примеру, клонированные семена овощных, плодовых и масличных культур. Однако ученые полны оптимизма: в природе явно существует множество неизвестных апомиктичных генов, которые еще предстоит открыть науке.

Оригинальное исследование: