До самых корней

Научный консультант: Мария Самсонова, доктор биологических наук

Во-первых, чтобы создавать новые сорта, устойчивые к вредителям, обработке пестицидами и другим факторам, а также в фундаментальных целях – понять, как геном организован, как гены формируют признаки растения. Дело в том, что генетическое разнообразие растений стало уменьшаться с интенсификацией сельского хозяйства, то есть после того, как произошла Зеленая революция. Селекционеры обычно скрещивают родственные растения, в результате чего их гены становятся «похожи» друг на друга – это видно при расшифровке. Получается такой замкнутый круг: из-за селекции уменьшился генетический «ассортимент» растений, и выводить новые сорта теперь сложнее, потому что материал брать неоткуда – он же везде повторяется!

Мария Самсонова, spbstu.ru

Всех нас что-то отличает – большие уши, цвет глаз, предрасположенность к чему-то. У растений тоже есть свои «изюминки», которые делают их непохожими друг на друга, – это и есть проявление генетического разнообразия. На генном уровне, в ДНК оно представлено в виде замен нуклеотидов – маленьких кубиков-мономеров, из которых строится ДНК. То есть среди десятков одинаковых нуклеотидов попадается один отличающийся, что может приводить к изменению признака организма. У человека, например, встречается примерно одна замена на 300 нуклеотидов – учитывая весь геном, каждого из нас делает особенным примерно 10⁷ замен. У растений все работает так же – чем больше замен, тем больше материала для селекции.

Похвастаться таким генетическим разнообразием еще могут дикие родичи сельскохозяйственных культур, поэтому над ними ведется большая работа. Изучив и расшифровав их, можно будет применить эти знания на практике.

«Мы исследуем дикие образцы растений, чтобы мобилизовать в них изменчивость и применить ее в селекции. Изучаем естественную вариацию в геномах и стараемся понять, как на основе нее формируются признаки организма. Когда мы поймем, как устроен тот или иной признак или орган растения, например цветок, можно научиться его конструировать. Это безумно сложно, потому что в биологии большую роль играет стохастика – случайность. Как случайность переходит в закономерность? Над разгадкой этой тайны работают ученые по всему миру», – отмечает Мария Самсонова, руководитель Научно-исследовательской лаборатории математической биологии и биоинформатики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ).

Вторая причина расшифровки геномов растений – их болячки. Многие из них провоцируются такими же растительными организмами. Например, фузариоз – заболевание, вызываемое грибом Fusarium. Оно поражает томаты, горох, кукурузу, ячмень, дыню, капусту и другие сельскохозяйственные культуры. Например, лен, от которого зависит огромная часть текстильной и масличной отраслей, может исчезнуть из-за гриба Fusarium oxysporum f. sp. lini. Другая разновидность гриба Fusarium вызывает у бананов «панамскую болезнь», из-за которой за последние 70 лет исчезло несколько сортов бананов. Ученые пытаются расшифровать геномы этих грибов-вредителей, чтобы понять механизм их воздействия и сделать растения устойчивыми к ним. Только этот способ на данный момент считают действенным: обрабатывать уже зараженное растение химикатами бесполезно, поскольку гриб сохраняется в почве до 50 лет. Так, например, в августе 2020 года группа исследователей из СПбПУ им. Петра Великого, СПбГУ и Федерального научного центра лубяных культур впервые в мире расшифровала геном гриба Fusarium oxysporum f. sp. lini. Узнав «врага» льна, можно будет приблизиться к пониманию «врага» бананов и остановить их уничтожение.

Фото: Rosser1954, ru.wikipedia.org

Еще одна болезнь растений, приводящая в ужас фермеров, – ведьмина метла, или вихорево гнездо. Ее причины не ясны до конца, но классической считают версию о ржавчинных грибах. Они уничтожают плоды и листву, проникают в стволы деревьев и образуют на растении кокон из веток. Болезнь поразила целые плантации какао в Южной Америке. Если расшифровать геном грибов и выяснить, что в них заставляет растения гибнуть, в будущем можно будет отредактировать эту часть генома, чтобы остановить распространение вредителей.

Сейчас список растений с секвенированным (расшифрованным) геномом велик, за последние 30 лет расшифровано и опубликовано более 300 геномов разных растений. Благодаря этому удалось вывести сорта сельскохозяйственных культур, устойчивые к гербицидам, насекомым-вредителям или со всеми этими свойствами сразу (например, соя, кукуруза, хлопок, картофель).

Во всем этом огромную роль играет математическая биология и биоинформатика, которые решают сложные задачи с помощью анализа больших объемов данных – запись ДНК содержит сотни миллионов букв, и расшифровать ее вручную невозможно.

А) Здоровое растение без признаков болезни
Б) У 10 % растения есть симптомы фузариоза
В) 25 % растения поражены заболеванием
Г) Около 50 % растения проявляют симптомы фузариоза
Д) У 75 % видны признаки болезни
Е) 100 % растения поражено.
journals.plos.org

«Математика – новый микроскоп для биологии. Не зря ее считают царицей всех наук. Сейчас для прогресса в биологии она играет такую же роль, какую для становления физики в XVII веке. Благодаря успехам биологии развивается математика, и наоборот, новые математические методы приводят к тому, что решаются задачи биологии», – отмечает Мария Самсонова.

Расшифровка геномов растений позволит узнать их до самых корней, а значит, повысить их качество и продуктивность, создать «супер-растения», устойчивые ко многим негативным факторам, и получить сорта с новыми, полезными свойствами.