Генная инженерия: испытания на злаках

Почему злаки и зачем их менять?

Если посмотреть на полки магазинов в любой части мира, то вы увидите там широкий ассортимент злаковых: пшеница, рис, кукуруза, рожь, овес и так далее. Злаки — одни из первых спутников человечества: есть археологические свидетельства, что уже 780 000 лет назад люди — а точнее, предки людей — были с ними знакомы. В Древнем Египте основу рациона составляли хлеб и пиво, в Азии — рис, в индейских культурах — кукуруза. Мы и сейчас зависим от злаков: по некоторым оценкам, более половины потребляемых в мире калорий приходится на злаки!

Почему люди вообще решили разводить злаки и изменять их? Злаки питательные, они растут повсюду, и растут быстро. Люди выбирали самые крупные зерна или те, что смогли пережить сильную засуху, и использовали их для посадки. Так мы постепенно получали все более эффективные сорта.

Но зачем «переделывать» злаки сейчас? Например, чтобы повысить устойчивость к болезням и вредителям. Чем меньше растения болеют, тем больше урожай. Чем устойчивее сорта, тем дешевле их выращивать и тем меньше нужно пестицидов, чтобы их защитить.

Пестициды — вещества, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений.

Как мы изменяем растения сейчас

Классическая селекция

Создавать новые сорта можно по-разному. Самый древний и естественный из них — это отбор, или селекция. Селекционер отбирает наиболее подходящие растения (например, с самыми крупными зернами в колоске), а потом сажает их, взращивает и скрещивает между собой, надеясь получить потомство с еще более крупными зернами. Затем снова собирает урожай, снова выбирает среди нового поколения колоски с самыми крупными зернами и… повторяет цикл.

Природа работает медленно: на появление полезных признаков могут уйти сотни или даже тысячи лет. Традиционная селекция ускоряет процесс, но все равно требует десятилетий экспериментов и терпения: иногда на получение нового сорта уходит 10–15 лет. Селекционер всегда работает немного наугад: в каждом потомстве перемешивается огромное количество генов, и невозможно предсказать точно, какие признаки проявятся.

Клеточная селекция

Как можно ускорить селекцию, чтобы не ждать десятилетиями? С развитием лабораторных методов появилась клеточная селекция. Этот метод позволяет не ждать, пока вырастет новое поколение растений в поле: нужные свойства отбираются уже на клеточном уровне прямо в пробирке. Ученые берут клетки растения, помещают их в питательную среду и выращивают колонию клеток. А потом подвергают ее различным стрессам: воздействию токсинов, разной температуре, отсутствию или избытку питательных веществ. После этих испытаний выживают только самые стойкие — они и становятся основой для нового сорта. 

Генная инженерия

Есть способ менять живые организмы, напрямую вмешиваясь в их гены, — этим занимаются генные инженеры. Если известно, за что отвечает тот или иной ген (например, ген, связанный с холодоустойчивостью), его можно «подсадить» другому растению или изменить. Для коррекции генов существует множество разных систем (методов), и число их все время растет. 

Самая известная, точная и эффективная система для генетических экспериментов на сегодняшний день называется CRISPR-Cas9, ее еще называют молекулярными «ножницами». CRISPR-Cas9 нашли у бактерий: с ее помощью они избавляются от вирусов, которые встраиваются в их геном (цепочка генов одного организма).

Оказалось, что если природный CRISPR-Cas9 доработать в лаборатории, то с его помощью можно менять геном разных организмов по желанию. Систему можно настроить так, что она будет находить нужный ген и вырезать его. А на его место можно вставить другой.

CRISPR-Cas9 уже применяют, чтобы улучшать устойчивость, урожайность и качество злаков. Например, в рисе (Oryza sativa) эта технология использовалась для повышения устойчивости к избытку соли в почве и улучшения качества зерна. А еще в Азии растет рис, устойчивый к наводнениям: растения могут находиться под водой до двух недель. Рис вообще оказался излюбленной моделью для экспериментов: исследователи из Южной Африки, например, разрабатывают рис, устойчивый к засухе и жаре. Выведен даже такой сорт риса, который способен жить на максимально бедной и засушливой почве, имитирующей марсианскую, так что, когда человечество наконец дойдет до стадии колонизации Марса, злаки будут готовы! 

И есть еще множество примеров использования молекулярных «ножниц». В Сибири разрабатывают пшеницу, устойчивую к бурой ржавчине — грибковому заболеванию. Также генетическое редактирование помогает создавать кукурузу, токсичную для насекомых, пшеницу, богатую цинком, и другие злаки будущего. 

Менее известные системы — ZFN с «цинковыми пальцами» и TALEN — позволяют сделать разрывы в геноме (цепочке генов), для того чтобы либо нарушить функцию гена, либо облегчить его нахождение. Например, ZFN применялась для редактирования генов в кукурузе, что позволило улучшить устойчивость к вредителям и повысить урожайность. 

Технология TALEN была успешно использована для модификации генов в рисе. Это привело к созданию сортов с повышенной устойчивостью к болезням. Этой же методикой пользовались, чтобы сделать сахарный тростник более подходящим для создания биотоплива.

Оба подхода менее популярны, чем CRISPR-Cas9, поскольку для них требуется гораздо больше времени (иногда до нескольких месяцев!), а еще это дорого.

Исследования и разработки новых систем молекулярных машин для изменения генов ведутся постоянно. Нет никаких сомнений, что их будет становиться все больше.

Возможно, совсем скоро мир познакомится с новой методикой, которая позволит получить те злаки, о которых мы можем только мечтать, — например, сорта, способные производить одновременно и пшеницу, и рожь на одном растении. Кто знает, может быть, именно вы, читатель, изобретете новые «молекулярные ножницы» или выведете новый сорт растений.