
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.
А есть и более специфические цели: можно улучшить вкус или состав. Например, сделать пшеницу без глютена для тех, кто страдает целиакией (генетически предрасположенная непереносимость глютена, то есть белка злаковых).
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.
Тест по материалу «Генная инженерия: испытания на злаках»
Зачем, согласно тексту, «переделывать» злаки?






















Комментарии