Как благодаря ученым рапс превратился из токсика в комфортика

Эпоха промышленного применения

Рапсовое масло использовали в качестве горючего для масляных ламп в Индии, Китае, а позже и в Европе. В отличие от животного жира, рапсовое масло давало меньше копоти и горело более ярким, чистым пламенем. Но вот употреблять в пищу его было невозможно — оно было слишком горьким. 

Вывести пищевой сорт рапса оказалось непросто из-за особенностей его генетики. Рапс — это естественный гибрид сурепицы и капусты, и он сохранил полный генетический набор от обоих родителей: по 4 аллели для каждого гена.

Аллель — это вариант одного и того же гена. Например, у человека парные хромосомы, а значит, по две аллели одного гена. Эта избыточность генов и создавала сложности ранним селекционерам: при исключении одной аллели остальные копии того же гена продолжали работать и компенсировали утраченную функцию.

С приходом индустриализации масло из семян рапса стало незаменимо в машиностроении. Высокое содержание эруковой кислоты (до 60% от общего состава жирных кислот) обеспечивало маслу уникальную вязкость и способность прочно удерживаться на металлических поверхностях даже при экстремальных температурах.

Во время Второй мировой войны роль рапса достигла своего пика. Флот союзных войск критически нуждался в смазочных материалах для морских судов. Минеральные масла того времени часто вымывались соленой водой, а это приводило к коррозии и выходу двигателей из строя. Рапсовое масло же образовывало устойчивую пленку на деталях паровых машин и винтов. Когда традиционные источники поставок из Азии были отрезаны военными действиями, Канада начала масштабную программу по расширению посевных площадей рапса, чтобы обеспечить нужды военного флота. Это привело к бурному росту канадской рапсовой индустрии, которая заложила фундамент для научных исследований.

С окончанием Второй мировой войны спрос на промышленные смазки для паровых машин начал стремительно падать — все популярнее становились дизельные и электрические двигатели. Единственным путем спасения для рапсовой культуры было превращение в пищевую культуру, способную конкурировать с соей и подсолнечником. 

Биохимические барьеры: эруковая кислота и глюкозинолаты

В 1950-е годы рапсовое масло обладало неприятным запахом, темно-зеленым цветом из-за высокого содержания хлорофилла и горьким вкусом из-за глюкозинолатов. Более того, токсикологические исследования начали указывать на опасность эруковой кислоты для здоровья сердца. Ученым предстояло найти способы блокировать синтез эруковой кислоты в семенах и снизить содержание горьких веществ в жмыхе, который оставался после отжима масла.

Жмых — ценный побочный продукт переработки семян, богатый белком. Рапс содержит глюкозинолаты, серосодержащие соединения, которые в природе выполняют защитную функцию: отпугивают вредителей своим горьким вкусом и токсичностью. Когда животных кормили рапсовым жмыхом, у них нарушалось поглощение йода щитовидной железой. Это вызывало развитие зоба, замедление метаболизма и серьезные задержки роста. Из-за этого рапсовый жмых не мог использоваться в качестве полноценного корма, поэтому выращивать рапс было экономически невыгодным.

Открытие «нулевых» мутантов

Трансформация рапсовой культуры стала результатом десятилетий упорного труда канадских ученых. Ключевыми фигурами в исследованиях стали доктор Балдур Стефанссон и доктор Кит Дауни. Они создали метод «половины семени», возможно, вдохновившись трудами советского селекционера Пустовойта. Ученые отрезали кусочек от семени рапса для химического анализа (газовой хроматографии), а вторую половину с зародышем оставляли для посадки.

В XX веке появились национальные базы семян — это позволило существенно расширять географию поиска. Изучив тысячи образцов из баз, Стефанссон и Дауни в 1960 году обнаружили растение рапса с практически нулевым содержанием эруковой кислоты — немецкий сорт «Liho». Открытие доказало, что синтез вредной кислоты не является жизненно важным для растения и может быть полностью заблокирован путем селекции и генетических манипуляций. 

Следующим этапом стал поиск путей снижения уровня глюкозинолатов. В 1967 году сотрудники Шведской семенной ассоциации Эвальд Йозефссон и Ларс-Оке Аппельквист идентифицировали польский сорт рапса «Bronowski», который обладал уникальной мутацией, снижающей уровень глюкозинолатов в семенах в несколько раз по сравнению с обычными сортами. Это растение стало генетическим донором для создания «двойных низких» сортов.

Канола — рапс нового поколения

Объединение этих двух признаков — низкого содержания эруковой кислоты и низкого содержания глюкозинолатов — в одном высокопродуктивном растении заняло еще несколько лет интенсивного скрещивания. В 1974 году был официально зарегистрирован сорт «Tower»: первый в мире сорт для получения съедобного рапсового масла.

Чтобы дистанцировать этот новый безопасный продукт от старого технического рапса, канадская ассоциация переработчиков масличных культур в 1978 году ввела торговое название «Canola». Это акроним: Canadian oil, low acid (канадское масло с низким содержанием кислоты). Маркетинговое решение сопровождалось жесткими стандартами качества, нарушение которых лишало производителя права использовать название «канола» для своей продукции.

Маркер-ассоциированная селекция (MAS): ускорение прогресса

Традиционная селекция, которую использовали Дауни и Стефанссон в 1960-х годах, была крайне трудоемкой. Для проверки каждого растения селекционеру нужно было дождаться созревания семян, а в условиях канадского климата это всего лишь один цикл в год. Даже метод  «половины семени», позволяющий анализировать семена до посадки, требовал кропотливой ручной работы и использования сложного оборудования.

Сегодня селекция рапса перешла в цифровую и молекулярную плоскость. Использование маркер-ассоциированной селекции (MAS) позволяет ученым увидеть генетический потенциал растения до того, как оно даст первый урожай. Современный селекционер работает не с целым растением, а с его генетическим кодом. На стадии проростка, когда у растения появилось всего 2-4 листа, от одного из листьев отделяется крошечный фрагмент ткани, диаметром около 2-5 мм. Этот процесс полностью автоматизирован. Специальные манипуляторы вырезают листовые диски и помещают их в планшеты с множеством лунок. Применяются методы быстрой очистки ДНК, позволяющие обрабатывать тысячи образцов в день. С помощью специфических молекулярных маркеров проводится анализ важных фрагментов генома растения.

Если тест показывает наличие «плохих» аллелей генов, которые кодируют выработку эруковой кислоты и глюкозинолатов, растение уничтожается. В поле высаживаются только те сеянцы, которые гарантированно обладают нужными характеристиками, что позволяет сократить площади экспериментальных полей в десятки раз.

Современные инструменты: CRISPR/Cas9 и геномное редактирование

Если классическая селекция и MAS работают с существующим генетическим разнообразием, то технологии геномного редактирования, такие как CRISPR/Cas9, позволяют создавать новые признаки, которых никогда не было в природе. Технология позволяет ученым находить нужный участок в ДНК организма, разрезать его и, если нужно, заменять на другой. 

Система состоит из двух главных компонентов, которые работают в паре. Cas9 — особый белок, который умеет физически разрезать цепочку ДНК, но сам по себе он «слеп». Он не знает, где именно нужно резать. Вторая часть системы — это гайдовая РНК (gRNA), маленькая молекула-инструкция, в которую ученые записывают точную последовательность генетического кода, которую нужно найти. Она ведет белок Cas9 прямо к цели.

Чего добились ученые, благодаря геномному редактированию?

Дизайн жирнокислотного состава

Одной из главных целей современного редактирования является создание сортов рапса с высоким содержанием олеиновой кислоты. Олеиновая кислота обладает высокой стабильностью и делает масло идеальным для длительной жарки без образования вредных трансжиров. С помощью CRISPR/Cas9 учёные одновременно выключают несколько копий гена, который отвечает за превращение олеиновой кислоты в линолевую. В результате получается масло с содержанием олеиновой кислоты более 80%, что превосходит показатели лучшего оливкового масла. Так канола становится продуктом для здоровой диеты, а также безопасным маслом для индустрии быстрого питания.

Решение проблемы растрескивания стручков

В вопросе рассеивания семян рапс остаётся по своей природе диким растением. Его стручки при созревании легко лопаются, сбрасывая семена на землю. В дикой природе это помогает с размножением, но в сельском хозяйстве ведет к катастрофическим потерям урожая. Генетики идентифицировали гены, контролирующие развитие зоны разрыва в стручке. Применение технологии CRISPR/Cas9 позволило создать мутанты с измененной структурой клеточной стенки в зоне шва стручка. В результате получились растения, чьи стручки остаются закрытыми даже после полного высыхания. Теперь можно фермерам проводить уборку рапса комбайном без потерь.

Устойчивость к гербицидам

С 1995 года в культуру ввели сорта, генетически модифицированные для устойчивости к гербицидам. Это позволило аграриям эффективно бороться с сорняками, не повреждая саму культуру. Хотя вокруг ГМО-сортов ведутся общественные дискуссии, с научной точки зрения это стало мощным инструментом повышения урожайности и снижения затрат на обработку почвы.

Польза для здоровья и влияние на экономику

Для Канады канола стала золотой жилой. Она приносит экономике страны более 43 миллиардов долларов в год и даёт сотни тысяч рабочих мест. Из культуры, которую выращивали для смазки паровозов, рапс превратился в стратегический ресурс. Сегодня Канада является крупнейшим мировым экспортером канолы, желтые поля этого растения стали символом канадских прерий. А Россия находится на шестом месте в мире по объему производства, больше всего рапса выращивают в Брянской области.

Помимо пищевого использования, канолу применяют в производстве биодизеля — получается возобновляемый и экологически чистый источник энергии. Сегодня селекционеры не только выбирают лучшие растения, но и проектируют их при помощи редактирования генов. Благодаря этому, будущее у рапса впечатляющее: от создания сортов, способных расти на обедненных почвах в условиях изменения климата, до превращения рапса в биофабрику для производства ценных жирных кислот и фармацевтических белков.