Рутина и фантастика агробиотехнологий

«Человек есть то, что он ест» ― это высказывание, приписываемое Пифагору, выдержало проверку столетиями. Сегодня проблема питания стала огромным пазлом, в котором сомкнуты рацион космонавтов и спортсменов, «зеленая революция», мифы и достижения диетологии, борьба с болезнями, паразитами и климатом, а в России ― еще и с импортозависимостью и традиционной отсталостью сельского хозяйства. Обо всем этом (и не только) шла речь в докладах научной сессии «Генетические ресурсы растений, животных и микроорганизмов на службе человечества» осеннего Общего собрания РАН.

От неолитической революции до геномной

Директор ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН академик Николай Александрович Колчанов помещает точку отсчета культурной селекции на рубеже 10 000 лет до нашей эры, когда человек начал переход к оседлому образу жизни в связи с доместикацией ― введением в культуру животных и растений, с распространением земледелия. Наши далекие предки были стихийными селекционерами ― начав со злаков, они искали для дальнейших посевов экземпляры с крупными и неосыпающимися зернами. «На протяжении веков человек продолжал оставлять лучшие (в первую очередь по продуктивности) экземпляры, ― рассказал Н. Колчанов. ― Но массовый отбор рано или поздно перестает быть эффективным. Важнейшим этапом стало введение в XIX веке метода индивидуального отбора, основанного на поиске семян от отдельных, самых лучших растений, и дальнейшей работе с ними».

Следующим шагом стала комбинаторная селекция (скрещивание различных форм одного вида, привлекательных по разным признакам), гибридная… Институт цитологии и генетики выступил одним из пионеров внедрения в селекцию хромосомных и клеточных технологий, в числе которых ― методы химического и радиационного мутагенеза. В качестве примера Николай Колчанов привел историю создания сорта яровой мягкой пшеницы Новосибирская-67 ― высокоурожайной, с отличными хлебопекарными качествами: «Экономический эффект от внедрения этого сорта многократно превысил затраты на строительство нашего института, в котором был выведен». Многие современные сорта пшеницы несут в своем геноме участок (транслокацию) от хромосомы IR ржи, содержащей гены устойчивости к грибковым заболеваниям. Отлично показал себя и метод не хромосомных, а цитоплазматических транслокаций: биологическая инженерия началась не вчера.

«Новый прорыв в селекции растений произошел в конце XX — начале XXI века с внедрением методов маркер-ориентированной и геномной селекции», ― рассказал академик Н. Колчанов. На молекулярно-генетические карты, насыщенные ДНК-маркерами, стало возможным точное нанесение не только генов, контролирующих простые признаки (то есть один-два), но и так называемых локусов количественных признаков. Метод показал себя эффективным: например, в Голландии все новые сорта ячменя, начиная с 1999 года, выведены именно по такой технологии. «Анализ селекционных форм с помощью ДНК-маркеров ― вспомогательный метод, ― уточнил Николай Колчанов. ― Он используется не вместо традиционной селекции, а вместе с ней. Это позволяет ускорять селекционный процесс, снижать затраты, экономить на оплате труда и энергии, сокращать посевные площади». Кроме этого, с помощью ДНК-маркеров можно отслеживать в потомстве такие комбинации генов, которые нельзя (или трудно) установить с помощью фенотипа. Для создания сортов с низкой восприимчивостью к фитопатогенам применяют «пирамиду» ― отбор растений, несущих сразу несколько генов устойчивости к одному и тому же заболеванию.

Кстати, о фенотипе. Успех селекционной работы принято оценивать и по «внешности» растений: размерам, форме, физическим свойствам. На стыке биологии и информатики возникла феномика ― новая специальность, решающая задачу быстрой оценки фенотипа растений путем интеграции численных биологических данных с компьютерным анализом изображений. Феномика позволяет резко ускорить оценку «портрета» того, что выросло в результате тех или иных действий селекционеров, заодно устранив присущий человеку субъективизм.

И еще раз: не «вместо», а «вместе». Селекция ― удивительная сфера деятельности, в которой новые методы не вытесняют, а лишь обогащают проверенные веками. Феномика феномикой, а живые растения всё равно год за годом зеленеют на опытных делянках, их трогают руками и измеряют линейками. Картину принципиально не меняет и последнее достижение геномики, о котором рассказал академик Н.А. Колчанов ― система редактирования CRISPR/Cas9. Это манипуляции с одним или несколькими «родными» нуклеотидами без привнесения инородных элементов. «Пока идет дискуссия, можно ли модифицированные формы, не несущие в себе трансгенных конструкций, ставить в один ряд с традиционными ГМО, исследователи взяли на вооружение эту технологию для исследований в целях получения новых форм растений с заданными свойствами, ― сообщил ученый. ― Такие работы выполняются в МГУ, ФИЦ ИЦиГ СО РАН, ФИЦ биотехнологии РАН и ряде других организаций».

Слово из трех букв

А «традиционные» ГМО-продукты между тем распространяются по планете со скоростью торнадо. С 1999 по 2016 год площади посевов таких культур возросли более чем в 100 раз и составили почти 180 миллионов гектар, то есть 12 % от всех возделываемых земель в мире. Основной ГМ−культурой является соя, занимающая около 50 % от всех площадей под ГМО, на втором месте кукуруза (около 30 %), далее хлопок (15 %) и рапс (5 %). В 2015 году их выращивали 25 стран, в том числе 5 членов Евросоюза ― Испания, Португалия, Чехия, Словакия и Румыния. Директор ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи (бывший Институт питания РАМН) академик Виктор Александрович Тутельян убежден: «Хотим мы этого или не хотим, питание человека XXI века состоит как из полностью натуральных, так и из технологически видоизмененных продуктов. И доля сырья, полученного из генно-модифицированных организмов, будет постоянно увеличиваться».

В России ГМ-культуры никогда не вводились в сельскохозяйственный оборот. В июле 2016 года был принят Федеральный закон № 358. Его ошибочно считают полностью запрещающим в России ГМО, хотя это не так. Не разрешается выращивать такие организмы и производить из них продукцию на территории нашей страны, но российским резидентам не возбраняется импорт ГМО, а нашим ученым ― их исследование. Поэтому они восприняли думскую инициативу спокойно. «Запрет на местное выращивание, ― считает Виктор Тутельян, ― связан с подготовкой и населения, и сельского хозяйства к восприятию высоких технологий, которые требуют принципиально другого уровня культуры и дисциплины».

Сегодня учеными выстроена, как выразился Виктор Александрович, «глубоко эшелонированная оборона» против негативных последствий употребления продукции из ГМО. Форпостом является определение уровня геномной безопасности: сравнение характеристик организма-донора переносимых генов и их рецепиента, анализ структуры и стабильности вставки, места встраивания и наличия в гене открытых рамок считывания (последовательностей, потенциально способных кодировать белок). Обычно эта работа проводится разработчиками новых ГМО, но, как говорится, доверяй, но проверяй. «Для второго этапа оценки мы ввели понятие «протеомная безопасность», которая подтверждается результатами соответствующего анализа ГМО и его традиционного аналога, ― рассказал В. Тутельян, ― а также оценки токсичных и аллергенных свойств одного или нескольких белков, определяющих проявление заданных признаков у ГМО». Третья линия защиты ― изучение метаболомной безопасности, то есть выявление непредусмотренных эффектов генетической модификации, связанных с синтезом неизвестных метаболитов на основе рекомбинантной ДНК. И наконец, еще один рубеж, возведение которого требует особых усилий и немалого времени: проверка на репродуктивную токсичность, которая может отражаться на нескольких поколениях. Мышиный век недолог, и это позволяет ученым выяснять, не влияет ли потребление конкретного ГМ-продукта на половую функцию, вынашивание плода, живорождение, состояние скелета и внутренних органов потомства… Весь список занимает страницу убористого текста.

В 1999−2016 годах в России произведена медико-биологическая оценка 23 линий ГМО, в которой использовано свыше 20 000 лабораторных животных, проведено порядка 180 000 анализов, эта работа дала более 100 научных публикаций. Интегральным результатом академик В. Тутельян назвал внедрение в практику Роспотребнадзора микроматричного формата контроля за оборотом ГМ-продукции и разработанную (но еще не внедренную) систему мониторинга воздействия ГМО на человека. Вроде бы ничего не вызывает тревоги, но… «После того как мы начали активно бороться с ГМО, количество анализов резко снизилось», ― отметил Виктор Александрович. Он предупредил, что в отрицании ГМО Россия не должна «третий раз наступить на грабли»: первым эпизодом ученый назвал разгром генетики в СССР (печально знаменитая сессия ВАСХНиЛ 1948 года), а вторым ― резкое свертывание отечественной микробиологической промышленности после двух выбросов белка на заводах в 1993 году. «В результате мы наверстываем отставание в генетической области и не производим ни одного грамма собственных витаминов и аминокислот», ― констатировал академик.

Чего не хватало Айболиту

Впрочем, далеко не исчерпаны возможности повышения отдачи сельского хозяйства и без генетических манипуляций. Взять то же скотоводство России, которое год за годом топчется на месте. Да, прирост производства мяса ежегодно составляет 3―4 %, зато молока ― только 0,3―0,6 %. Почему? Ответ дала академик Ирина Михайловна Донник, ректор Уральского аграрного университета: «Это в первую очередь объясняется неуклонным снижением поголовья продуктивных животных, особенно молочного скота, и сокращением сроков их хозяйственного использования». Даже в племенных стадах долголетие составляет две-три лактации при оптимальных четырех. Грубо говоря, корова идет под нож раньше, чем следовало бы, недодав молока в хозяйский бидон и общероссийскую цистерну.

Ну а это почему? Ученые стали разбираться. По данным 340 сельхозпредприятий Урала нарисовалась такая картина: низкая продуктивность укоротила жизнь 3 % животных, травмы ― 6 %, «прочие причины» (на самом деле, чего только со скотиной не случается) дали 41 %, а 50 %, ровно половину ― болезни. Взялись, естественно, за них, провели лабораторные исследования у 38 587 коров с продуктивностью свыше 6 000 кг молока в год из 28 предприятий Уральского федерального округа. Один только анализ крови выдавал спектр из 26 показателей. «Главными патологическими состояниями… выделены нарушение белкового, минерального, микроэлементного обмена, нарушение кислотно-основного равновесия и электролитного баланса крови, а также патологии печени, сердечно-сосудистой системы и скелетной мускулатуры», ― таков был общий вывод. При этом заболевания печени заняли первое место, ими страдали 38 % обследованных буренок.

Пока что речь шла о незаразных болезнях. По большинству особо опасных инфекций (ящуру, туберкулезу, бруцеллезу, сальмонеллезу и другим) ситуация в России достаточно благополучная. Но вспышка сибирской язвы оленей нынешним летом на Ямале показала, что ветеринарный контроль не должен ослабевать. К тому же, как и для человеческой популяции, появляются «новые вызовы», среди которых Ирина Донник выделила лейкоз крупного рогатого скота: «В некоторых регионах до 50―80 % молочных коров заражено этой болезнью». В течение многих лет возбудитель может сохраняться в стаде, не вызывая симптоматических признаков. Это указывает как на недостаточность диагностики («Узкий спектр биохимических тестов не позволяет глубоко оценить состояние животных»), так и на возможность вируса обходить иммунный ответ у некоторых особей.

Оказалось, что и здесь без геномики не обойтись. Секвенирование генома вируса лейкоза КРС позволило построить дендрограмму территориального распределения его штаммов, сравнить с известными мировыми изолятами. Кроме этого, найдены методы разработки специфических праймеров для ПЦР-диагностики. Последнее, по прогнозу академика И. Донник, «…позволит с уверенностью выявлять вирусоносителей среди телят в раннем возрасте (15 дней) и на оздоровленных фермах, а также на заключительных этапах санации хозяйств от лейкоза».

Разумеется, это только первые шаги. «Новый вызов» оказался трудным испытанием для ветеринарии не только в нашей, но и в других странах (уральские ученые, например, тесно сотрудничают с польскими). Только в трех регионах России лейкоз КРС ликвидирован полностью: в Ленинградской и Свердловской областях, а также в Ямало−Ненецком автономном округе, где поголовье коров исчисляется одной тысячей. Но Ирина Донник уверена: «Изучение особенностей строения и функционирования генома вируса позволит, возможно (ученые любят это слово), в будущем не только понять, но и управлять течением инфекционного процесса».

Призрачное импортозамещение

Возле зала, в котором проходила научная сессия Общего собрания РАН, расположилась маленькая, но интересная выставка достижений российской сельхознауки. Картофелины: гладкие, как лысина, и разных цветов ― вплоть до темно-фиолетового. Корнеплоды сахарной свеклы размером с гаубичный снаряд. Гроздья холодостойкого винограда. Попробовал ― непривычно, но вкусно. Полки с вином из опытных хозяйств, расположенных заметно севернее Крыма и Тамани…

…В здание РАН на Ленинском проспекте не привезли много новинок, которые представляли в докладах. Породу крупного рогатого скота «Русская комолая» (то есть как раз без рогов), свиней ― с военным названием МС−1, гибриды яка с коровой и сибирского козерога с домашней овцой. Искусственно выведенные карпы ― петровский и чувашский чешуйчатый ― так и просятся на стол. «Пищей-лекарством» назвал овощи директор ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур академик Виктор Федорович Пивоваров, отметивший общемировой тренд «овощемании», резкого увеличения и объема производства, и доли отводимых площадей. Новые отечественные сорта сладкого перца позволяют выращивать его на 400 километров севернее, чем раньше, сливу русскую теперь способна в промышленных масштабах давать Московская область.

В докладе директора Всероссийского селекционно-технологического института садоводства и питомниководства академика Ивана Михайловича Куликова мелькали, как в калейдоскопе, российские сорта и гибриды яблони, груши, сливы, вишни и черешни, ягодных культур… Для каждого вида их выводят десятки. Почему так много? Да потому, что при всем разнообразии и совершенстве методов селекции невообразим «идеальный сорт», равно успешный для любых климатических и почвенных условий, дающий великолепную сохранность урожая без потери первозданной свежести. А кроме того, устойчивый ко всем известным науке заболеваниям, паразитам и вредителям, к человеческой небрежности и лени. Но даже если такие сорта гипотетически и возможно вывести, остается наш с вами потребительский вкус. Одному захочется красной смородины сладкой, как патока, «повышенной длиннокистности и крупноплодности», другому ― мелкой и кислой, зато как в детстве.

Не без гордости директор НИИ кондитерской промышленности академик Лариса Михайловна Аксенова сообщила: «Пищевая отрасль России находится на третьем месте после добывающей и металлургической промышленности, выдавая продукции на два триллиона рублей в год». Да, но… Первооснова львиной доли этой продукции ― импортная. И не только привозное сырье. Племенной и сортовой материал, добавки, корма, не говоря уже о технике, комплектующих, расходниках… По словам директора ВНИИ сахарной свеклы и сахара им. А.Л. Мазлумова члена-корреспондента РАН Анатолия Васильевича Корнеенко, отечественные гибриды занимают только 2 % посевов сахарной свеклы в России. Даже в московских магазинах не встретишь тех вин и того винограда, что стояли на выставке в Академии наук. В Московской области нет огромных сливовых садов, а в Томской ― плантаций сладкого перца. С сортами российской селекции экспериментируют только дачники: понятно, что им нужно далеко не всё. Зачем на шести сотках соя и рис?

В российском сельском хозяйстве намного острее, чем в промышленности, стоит проблема коммерциализации научных разработок, экономических стимулов внедрения их в практику. Сколько ни говори «импортозамещение», это волшебное слово не заставит фермера или директора птицефабрики отказаться от рентабельных и привычных импортных заделов. А во время дискуссии одну из причин иного характера назвал академик Роберт Искандерович Нигматуллин, директор Института океанологии РАН:

― Я 13 лет возглавлял Уфимский научный центр и был председателем Башкирской академии наук, поэтому считаю себя вправе высказаться. На нашу сельскохозяйственную отрасль давят прежде всего экономические дисбалансы. С одной стороны, подсчитано, что в России на душу населения ежегодно должна производиться 1 тонна условного зерна. Но в последние, самые урожайные годы получалось не 145 миллионов тонн, а только 120. С другой стороны, почти во всем мире цена тонны бензина равна цене тонны зерна, а у нас превышает в три-четыре раза. Понятно, какие отрасли получают прибыль, и понятно, за счет кого.

Источник: «Наука в Сибири»