В чём недостаток современных методов селекции

За последнее столетие в сельском хозяйстве появилось множество методов селекции, благодаря которым учёные создают более урожайные и устойчивые к биотическим и абиотическим факторам среды сорта растений. Однако широкое выращивание одних и тех же элитных сортов привело к тому, что сегодня генетическое разнообразие культур сильно ограничено, и улучшать растения становится всё труднее. При этом важно использовать как можно более адаптированные к среде выращивания сорта, чтобы агропроизводство продолжало развиваться в условиях глобального изменения климата, учащающихся экстремальных погодных явлений и зависимости от удобрений и пестицидов. 

Обогатить генофонд сельхозрастений можно, скрещивая культурные формы с дикими. Однако на практике вместе с одним полезным геном от дикорастущего родственника могут передаться десятки нежелательных признаков: мелкие плоды, ломкий стебель, высокая осыпаемость семян и другие. Избавиться от таких недостатков бывает сложно, дорого и долго.

Чтобы расширить генетическую базу и использовать растения, которые лучше приспосабливаются к стрессовым условиям среды, учёные пробуют «окультуривать» дикие виды, однако делать это нужно за очень короткий срок.

Концепция одомашнивания с нуля

В начале 2010-х годов появилась и стала быстро развиваться концепция «одомашнивание с нуля» (de novo domestication). Её суть заключается в том, чтобы за короткий срок (от нескольких лет до десятилетий) с помощью современных методов превращать дикие растения в сельскохозяйственные культуры.

У дикорастущих видов множество преимуществ перед культурными растениями. К примеру, они более устойчивы к вредителям и болезням, лучше адаптируются к жаре, засухе и другим стрессовым факторам. С другой стороны, дикие растения дают скромный урожай, могут иметь неприятный вкус, слишком активно разрастаются или не подходят для аграриев по другим причинам. Чтобы сделать дикое растение подходящим для культурного выращивания, селекционеры редактируют его ключевые гены. Эта работа проводится в несколько этапов:

1. Геномное секвенирование. Сначала расшифровывают геном дикого вида и сравнивают его с геномом культурного родственника, чтобы понять, какие гены отвечают за «дикость», а какие за «культурность».
2. Выбор целевых генов. Селекционеры выбирают 5–10 ключевых генов, отвечающих за важные признаки, например, размер семян, продолжительность цветения или скорость созревания.
3. Редактирование CRISPR-Cas9. С помощью этой технологии аккуратно отключают, включают или активизируют выбранные гены. Благодаря этому растение теряет нежелательные «дикие» характеристики и приобретает культурные. Во время CRISPR-редактирования чужеродные гены в геном растения не добавляются. 
4. Оценка и отбор. Полученные растения выращивают, чтобы проверить, какие из изменённых линий действительно удачны: хорошо растут, дают урожай, устойчивы к болезням и т.д. Часто на этот этап закладывают от 2 до 5 лет.

Профессиональные и научные объединения, Всемирная организация здравоохранения и руководства ряда стран придерживаются мнения, что полученные таким способом растения неправильно относить к генно-модифицированным организмам (ГМО), поскольку не содержат трансгенов и не отличаются от культур, полученных традиционными методами селекции.

De novo окультуривание на практике

Сегодня одним из лидеров в доместификации de novo стал Китай, работающий над крупным геномным проектом при поддержке Академии наук КНР. Япония, США и Индия также работают над программами по быстрому окультуриванию диких растений.

1. Дикий рис (Oryza alta) родом из Южной Америки устойчив к некоторым видам вредителей и болезней, при этом имеет мощную биомассу. Для его окультуривания учёные отредактировали гены дикой формы растения, чтобы зерно не осыпалось, а время вегетации сократилось.
2. Дикий томат (Solanum pimpinellifolium) — это родственник обычного томата, с мелкими, но вкусными плодами. В 2018 году селекционеры выключили шесть генов, чтобы получить устойчивое к грибкам и вредителям растение с крупными и сладкими плодами. 
3. Vigna stipulacea — дикий родственник маша (Vigna radiata), устойчивый к жаре и засухе. Проекты в Азии рассматривают это растение для одомашнивания с нуля в новую бобовую культуру для тропиков.

Ограничения технологии

У технологии одомашнивания de novo есть ограничения. Во-первых, на многих растениях плохо работают методы переноса ДНК, поэтому их нельзя изменить через CRISPR-редактирование. Во-вторых, геном большинства растений все еще не расшифрован, данные о назначении тех или иных генов у множества целевых биологических видов не получены. В-третьих, растения, созданные CRISPR-редактированием, в некоторых странах, в частности, в Евросоюзе, приравнивают к генетически модифицированным трансгенным растениям. Это осложняет создание новых культур, их оборот на рынке и внедрение в сельское хозяйство.

Читайте также:

• Наследие и развитие российской отрасли селекции и семеноводства: наши дни
• 10 технологий, которые произвели революцию в сельском хозяйстве
• Работа селекционеров: как создают региональные сорта и гибриды
• Как работает большая селекция и скоро ли в России появятся собственные сорта
• Своё на полях: лучшие российские сорта и гибриды – и их разработчики
• CRISPR: как молекулярные ножницы помогают создавать устойчивые культуры
• Селекция поимённо: самые популярные сорта главных культур в России в 2024 году