Русские гены сахарной свеклы

Российская компания создает гибриды сахарной свеклы при помощи методов геномной селекции.

В мире каждый год высевается примерно 5 млн га сахарной свеклы, около 25% из них в России. Четверть мирового рынка семян этого стратегически важного корнеплода — лакомый кусок для транснациональных корпораций. Последние 20 лет именно они поставляли в Россию посевной материал. На долю отечественных гибридов сахарной свеклы в производственных посевах приходилось не более 1–2%. Для изменения ситуации в 2017 году холдинг «Русагро» и компания «Щелково Агрохим» объединили усилия для создания отечественных гибридов, подходящих для разных регионов страны и способных конкурировать на мировом рынке, и все это на солидной научной базе, ведь сегодня без научного подхода завоевать рынок невозможно.

«В геноме сахарной свеклы, который мы полностью секвенировали, ищем участки, отвечающие за такие признаки, как урожайность, сахаристость, засухоустойчивость, устойчивость к гнилям»

Фото: Виталий Тимкив / РИА Новости

Сорта и гибриды

А началась эта история с того, что в 2011 году «Щелково Агрохим» построил первый в России семенной завод по дражированию семян сахарной свеклы с использованием современных европейских технологий. Дражирование — процесс предпосевной подготовки семян, в ходе которого их покрывают защитной оболочкой. Так легче сеять, к тому же оболочка дает семени питательные вещества и защищает от заболеваний и вредителей. Но завод построен, а своих семян нет! Встал вопрос о создании собственных гибридов. Так появился селекционно-генетический центр «СоюзСемСвекла».

Но почему именно сахарная свекла? Потому что для России это стратегически важная культура: из нее получают сахар, без которого невозможно представить себе ни домашние заготовки, ни пищевую промышленность. А без высокой науки не обойтись потому, что сахарная свекла — сложное растение с генетической точки зрения: как говорит генеральный директор «СоюзСемСвеклы», кандидат сельскохозяйственных наук Роман Бердников, у нее, в отличие от пшеницы, например, которая предоставляет «достаточно разнообразный по происхождению генетический материал, генетический диапазон крайне узок, поэтому с ней гораздо труднее работать, тем более что для получения конечного продукта — гибрида необходимо как минимум четыре компонента».

Ну а зачем нужны гибриды, ведь в Советском Союзе наверняка существовали достойные сорта сахарной свеклы? «Весь мир давно перешел от сортов к гибридам,— объясняет Роман Бердников,— в первую очередь потому, что сорт — это генетическая популяция, состоящая из различных генотипов, которые в отличающихся условиях могут выдавать разный результат. Гибрид — целенаправленно созданный стабильный продукт. Кроме того, гибрид позволяет автору закрепить свои права. Сорта можно сеять из года в год, в результате авторские права разработчика размываются. Гибридные семена используются один раз, и даже если из растений, которые из них вырастут, получить семена, эти семена будут непригодны для посева. Важна также технологичность: растения даже одного сорта имеют фенотипические различия, то есть корнеплоды могут быть, например, разного размера, а это потери при уборке. Гибрид — выровненный продукт, что позволяет не только минимизировать потери при уборке, но и максимально реализовать заложенный в нем генетический потенциал».

Биотехнологии

«СоюзСемСвекла» разработала 25 гибридов, которые внесены в Государственный реестр селекционных достижений и допущены к использованию в РФ; семь из них уже можно купить. Созданы они на основе маркер-ориентированной селекции, не связанной с изменением генома. «Мы применяем методы биотехнологии, в частности элементы культуры тканей (культура тканей предполагает работу с тканями растений в стерильных условиях). В этом случае на питательную среду помещаем ткань перспективного генотипа, получаем микроклоны. По сути, это микроклональное размножение, когда из одного растения можно получить множество микроклонов, то есть генетических копий подходящего нам по свойствам растения»,— рассказывает гендиректор «СоюзСемСвеклы».

К биотехнологиям относится и такая методика, как создание гаплоидов. «Гаплоид — это организм с одинарным набором хромосом, а мы этот набор искусственно удваиваем,— говорит Роман Бердников.— Сахарная свекла — гетерозиготный организм, то есть многие гены там находятся как в доминантном, так и в рецессивном состоянии. За счет создания гаплоида и последующего его удвоения мы получаем нормальный диплоидный, с парными хромосомами, организм сахарной свеклы, но с уникальным генотипом, который естественным путем получить практически невозможно. Это гомозигота, то есть растение с нужными нам признаками, которые сохранятся и в следующем поколении».

Геномная селекция

«Что касается молекулярной биологии, мы занимаемся поиском и применением уже разработанных молекулярных маркеров — участков генов, отвечающих за определенный признак, например устойчивость к какому-либо заболеванию,— продолжает Роман Бердников.— При помощи таких маркеров мы ищем и контролируем тот или иной признак. Второе направление — геномная селекция, когда в геноме сахарной свеклы, который мы полностью секвенировали, ищем участки, отвечающие за такие признаки, как урожайность, сахаристость, засухоустойчивость, устойчивость к гнилям. Благодаря данным о таких участках генома можно прогнозировать свойства будущих растений. Из существующих в мире методик мы выбрали ДНК-чипы. Выглядит ДНК-чип как приборное стекло для микроскопа, на которое нанесены SNP (single nucleotide polymorphism — полиморфные однонуклеотидные замены), отвечающие за определенные признаки. При использовании геномной селекции мы никоим образом ни влияем на геном, а лишь проводим анализ и выбираем то, что нам нужно. Допустим, с помощью микрочипа, который отвечает за высокую сахаристость, мы из имеющихся генотипов выделяем высокосахаристый материал и уже можем быть уверены, что до создания гибрида у нас не будет расщепления по этому признаку, то есть распределения доминантных и рецессивных признаков среди потомства. Материал полностью перейдет в конечный продукт. Таким образом на геномном уровне мы осуществляем полный контроль при создании гибридов».

«Прежде чем сделать ДНК-чипы, мы собрали контрастный материал: взяли низкоурожайные и высокоурожайные, низкосахаристые и высокосахаристые формы, затем провели их полногеномное секвенирование и сравнили результаты,— говорит эксперт.— Области, которые совпали, мы убрали из дальнейших исследований, те, в которых были отличия по SNP, нанесли на ДНК-чипы».

Далее ДНК-чип для сканирования помещают в чип-ридер, там же анализируется ДНК-образец сахарной свеклы, и в ходе реакции гибридизации на ДНК-чипе засвечиваются те SNP, которые отвечают, допустим, за повышенную или пониженную сахаристость, повышенную или пониженную урожайность. Так можно выделить те SNP, которые непосредственно связаны с тем или иным признаком. «Потенциально из ДНК-чипа высокой плотности мы будем делать микрочипы, направленные на создание гибридов с заданными свойствами,— рассказывает специалист.— Если нам нужна, например, высокая сахаристость, на микрочип будут нанесены только те SNP, которые отвечают за этот признак. Такой инструмент позволит нам на геномном уровне конструировать тот гибрид, в котором мы сможем совмещать такие признаки, как урожайность, сахаристость, устойчивость к заболеваниям. При помощи геномной селекции мы сможем сделать гибрид, подходящий для той или иной зоны выращивания сахарной свеклы: где-то это будет акцент на урожайность, где-то — на короткий период вегетации, где-то — на устойчивость к заболеваниям, таким как церкоспороз на юге России, в частности в Краснодарском крае, где-то — на устойчивость к кислым почвам, как в Нижегородской области».

Редактирование генома

«Сейчас в рамках Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019–2030 годы мы с партнерами из Института общей генетики имени Вавилова приступили к редактированию генома сахарной свеклы,— отмечает Роман Бердников.— Генетическое редактирование, говоря простыми словами,— это генетические ножницы, с помощью которых мы производим изменения в конструкции генома. Мы не привносим гены совершенно другого вида, как это бывает при создании генетически модифицированных организмов. При помощи системы генетического редактирования CRISPR/Cas 9 планируется создать гибрид, устойчивый к корневым гнилям и засухе. В России мы ведем такие исследования впервые».

В генетическом редактировании есть два основных направления: выключение определенного гена и его изменение. Все происходит на уровне азотистых оснований, которые образуют ДНК. Если какие-то из них поменять местами, получится организм с уникальными свойствами. Вот только надо четко понимать, где и что необходимо изменить. Поэтому для начала следует выбрать гены-мишени, которые обеспечивают необходимые характеристики, в данном случае устойчивость к засухе и корневым гнилям, и создать генетические конструкции для редактирования генома. Дальше происходит процесс трансформации, то есть переноса генов. «Эти генетические конструкции переносятся в растительный объект. Далее осуществляется отбор эксплантов, непосредственно подвергшихся редактированию, и первый этап регенерации, то есть выращивания, растений»,— говорит Роман Бердников.

Затем различными методами ученые много раз проверяют, насколько успешно прошло редактирование, и отбирают растения, получившие необходимые изменения. «А затем коллеги из Института общей генетики передают нам отредактированные линии сахарной свеклы в виде микроклонов. Мы возвращаем эти линии в классический селекционный процесс, то есть укореняем микроклоны, затем переносим в закрытый грунт, где доращиваем, и получаем корнеплоды сахарной свеклы, которые высаживаем на изоляторную площадку — это базовая основа селекционного процесса,— объясняет селекционер.— Там по результатам фенотипического и молекулярно-генетического анализа происходит отбор растений. Отобранные линии используются для создания конечного продукта — гибрида F1 — так называются растения первого поколения».

«Весь цикл производства от создания гибрида до готовой продукции сосредоточен в Российской Федерации,— подчеркивает Роман Бердников.— На сегодняшний день можем отметить, что наши гибриды конкурентоспособны, но мы как селекционеры готовы и дальше улучшать свой продукт в зависимости от потребности сельхозтоваропроизводителей. В наших планах производить столько семян гибридов, сколько необходимо, чтобы удовлетворить всю потребность страны».