Рожденные в лаборатории

Галина МЕСНЯНКИНА, инженер

Мировой опыт свидетельствует, что вклад селекции в достигнутое за последние 30 лет в развитых странах повышение урожайности основных сельскохозяйственных культур превышает 50%. В своем выступлении на XI сессии Совета по координации научной деятельности академий наук союзных республик вице-президент АН СССР Ю. А. Овчинников говорил о том, что это направление научной работы играет важнейшую роль в реализации Продовольственной программы. Особое значение имеет селекция в условиях нашего сурового климата и чрезвычайного разнообразия почв.

Академические институты создают теоретическую базу селекции и разрабатывают новые методы, позволяющие конструировать высокопродуктивные генотипы.

Мы предлагаем вниманию читателей рассказ о работах Института общей генетики (ИОГен) АН СССР.

Какие источники питания станут в будущем основными? Вытеснят ли синтетические продукты традиционные? По многочисленным прогнозам, и рационе наших детей будет преобладать искусственная пища. Однако думается, что это не совсем верно. В наши дни усилия ученых-генетиков направлены на то, чтобы мир растений всегда оставался основой жизни на Земле.

Статистика утверждает: к 1989 году численность населения нашей планеты составит 5 млрд., а к 2000 году 7 млрд. человек. Быстрому приросту населения должно соответствовать постоянное повышение урожаев. Есть два основных пути для достижения этой цели: выведение высокопродуктивных, устойчивых к вредителям и болезням сортов, а также развитие активной биологической защиты растений.

Работа селекционера и генетика начинается в лаборатории.

ВЫРАЩИВАЕМ ПОЛИПЛОИДЫ

Для создании новых видов (и родов) растений природа использовала так называемый метод полиплоидии (от греч. — «многократный вид»),то есть кратного увеличения числа хромосом, в которых расположены гены, несущие наследственные признаки. Обычно клетки содержат двойное (диплоидное) число хромосом — одна пара заимствуется от материнского, другая от отцовского организма. При митозе — непрямом делении клеток, наиболее распространенном способе их репродукции, происходит удвоение хромосом и равномерное распределение их между дочерними клетками. Однако при повышенной или пониженной температуре, ионизирующем излучении, воздействии каких-либо химических веществ митоз нарушается, хромосомы не распределяются между дочерними клетками. Получив их удвоенный набор, клетка укрупняется — хромосома может быть представлена в ней трижды, четырежды и т. д. Организмы с соответствующим кратным числом хромосом называются полиплоидами. Растения-полиплоиды отличаются гигантизмом — большими размерами клеток и соответственно листьев, цветков, плодов. У них повышенное содержание ценных химических веществ, укороченные сроки цветения, а также созревания плодов, высокая урожайность.

Оказалось, можно получить их искусственно. Для этого на растение воздействуют сильным ядовитым веществом — алкалоидом колхицина. Он останавливает деление растительных и животных клеток, в каждом из них происходит удвоение клеточных структур образуется полиплоид. Так были выведены полиплоидные сорта сахарной свеклы, капусты, гречихи, пшеницы. Полиплоидия наряду с методами генной инженерии эффективно используется селекционерами и генетиками для получения новых сортов растений. Один из немногих недостатков этого способа — пониженная плодовитость полиплоидов по сравнению с исходными формами. Однако от него можно избавиться путем длительного отбора растений с достаточно высокой плодовитостью. Именно таким образом предложил советский генетик В. В. Сахаров получать полиплоиды гречихи. Работа, начатая им в ИОГене, свершилась выведением перспективного тетраплоидного сорта «большевик-4». Это интересный пример планового создания новой формы растении, доселе не существовавшей в природе. Известно, что в клетке обычной диплоидной гречихи находится 8 пар хромосом, а у тетраплоидной по 8 четверок, то есть 32. В результате у нового сорта более мощный стебель, крупнее листья, цветки и семена. Во всех его зеленых частях большее количество фотосинтезирующего хлорофилла. У него нет тенденции к осыпанию зерен, как у обычной гречихи, поэтому урожай собирается практически без потерь.

Значительная часть рациона нашего питания блюда из круп. Они снабжают организм человека белками, крахмалом, минеральными веществами и витаминами. Гречиха — чемпион по содержанию жизненно необходимых элементов: железа, фосфора, кальция, минеральных солей и витаминов Р, B₁ и В₂. Кроме того, белки этого растения (содержание их в зерне 10—13%) более полноценны, чем белки злаков. Употребляя в пищу даже только гречневую кашу с молоком, человек практически получает сбалансированное питание. В гречишном меде больше белков и железа, чем в липовом и цветочном. Из гречихи получают также гликозид рутин, органическое соединение, обладающее Р-витаминной активностью, укрепляющее стенки сосудов и регулирующее их проницаемость.

В новом сорте «большевик-4» все перечисленные достоинства в значительной степени улучшены.

Вот она — тетраплоидная гречиха.
(Снимок сделан в теплице
Института биологии развития
АН СССР.)

Зерно такой гречихи весит в среднем от 32 до 48 г (обычной — 18—25 г), да и содержание белка в нем значительно выше. Всесторонне изучив особенности развития тетраплоидной гречихи, ученые разработали рекомендации по ее выращиванию. Так, для Подмосковья они предлагают ранние сроки посева (20—25 мая), ибо холодостойкие тетраплоиды созревают на 5—7 дней позже обычных сортов. Урожайность нового сорта выше на 20—25%, особенно перспективно его выращивать в зоне орошаемого земледелия.

ПОМОГУТ «ДИКАРИ»

Средний срок жизни одного сорта, например пшеницы или других злаков, в Европе и Северной Америке составляет не более 15 лет. Затем он теряет свои ценные признаки, появляются новые популяции возбудителей его болезней, как следствие снижаются урожайность, качество данного сорта.

Выдающийся советский ученый Николай Иванович Вавилов говорил, что основная задача селекционера и генетика состоит в том, чтобы собрать живую коллекцию растений мира, взять «дикарей» за основу и, проводя селекцию и скрещивание, выводить новые, лучшие сорта для посевов во всех эколого-климатических зонах страны.

Вот, к примеру, картофель. Его дикорастущие виды устойчивы и к болезням (к такому, скажем, распространенному грибковому заболеванию, как фитофтороз), и к вредителям. Однако «дикари» малопродуктивны. Как же соединить в одном сорте свойства высокой продуктивности и невосприимчивости к болезням? Над решением этой проблемы работают ученые во многих странах мира. В ИОГене ею занялась группа исследователей во главе со старшим научным сотрудником, доктором биологических наук Ниной Александровной Лебедевой. Они взяли гены устойчивости некоторых диких видов картофеля и ввели их в культурные продуктивные сорта. Подобный метод носит название отдаленной гибридизации. Так были получены перспективные гибриды: подсолнечник с 55-процентным содержанием масла в семенах, высокоурожайная пшеница «безостая-1», гибрид редиса и капусты и многие другие.

Основная трудность, с которой столкнулись исследователи, состояла в том, что отдельные виды картофеля не скрещиваются между собой, а если скрещивание в редких случаях и удается, то гибриды получаются стерильными. А как поведут себя полиплоиды-«дикари», которые можно получить с помощью раствора того же колхицина? Оказалось, что они не только хорошо скрещиваются с культурными сортами, но и сами обладают улучшенными качествами: имеют более крупные клубни, а следовательно, и достаточно высокую урожайность.

«Белая ночь» (слева) и «Весна» (справа)
в скором времени появятся на прилавках
овощных магазинов.

Сочетая методы отдаленной гибридизации и полиплоидии, группа Лебедевой сумела получить такие ценные сорта картофеля, как «весна» и «белая ночь».

«Весна» — ультраскороспелый сорт. Клубни можно собирать через 43— 45 дней после появления всходов, то есть в конце первой декады июля. Урожайность «весны» в ранние сроки уборки — 350—400 ц с гектара. Сами клубни очень крупные, продолговатой формы, розового цвета, обладают отменными вкусовыми качествами. Содержание крахмала в них — до 10—12%. Убирать этот картофель надо сразу, как только поспеет, потому что залеживаться в земле не любит, зато в хранилищах он не прорастет до мая следующего года.

Сорт «белая ночь» — среднеранний, его отличительная особенность — чрезвычайно высокая урожайность. В Белоруссии, где он выращивается с 1983 года, его собирают более 800 ц с гектара. Среди 140 сортов картофеля центральных районов Нечерноземья «белая ночь» — чемпион по урожайности.

Оба сорта унаследовали от «дикарей» высокую устойчивость к раку, фитофторозу и другим заболеваниям. Например, в нескольких совхозах был проведен такой эксперимент. На полях параллельно с «весной» и «белой ночью» высадили другие сорта. И что же? Несмотря на предварительную предпосевную обработку семян против фитофтороза, все они, кроме «весны» и «белой ночи», были сильно заражены.

Перспективные сорта только в 1984 году были районированы в 17 областях страны, скоро этот картофель появится в овощных магазинах сел и городов. А в ИОГене уже созданы и проходят испытания еще более скороспелые и урожайные сорта картофеля.

Динамика появления мозаики на томатах по месяцам.
Испытания штамма У-69 проводились в ангарных
гидропонных теплицах совхоза «Киевская
овощная фабрикам в 1976/77(a) и в 1977/78 годах (б).
Увеличение числа растений (они не были обработаны
вакциной), пораженных мозаикой, в контроле
происходило быстро и через 2,5 месяца после высадки
достигало 100%. Из обработанных У-69 растений
лишь 17—18% были больны. Когда изоляция
опытных и контрольных растений была неполной,
мозаика распространялась среди невакцинированных
растений медленнее (синий), чем при полной изоляции.

НА БОРЬБУ С ВИРУСОМ

Целый ряд сортов таких овощных культур, как помидоры, выращиваемые в закрытых грунтах, высокоурожайны, однако чрезвычайно чувствительны к различным вирусам.

Сколько труда затрачивают работники теплиц, чтобы вырастить эти «райские яблочки» на мощных зеленых кустах не под открытым небом, а в закрытом помещении. Идеальные, казалось бы, условия тепло, свет, влага, но помидоры здесь становятся чересчур изнеженными, не способными противостоять болезням. Защищенный грунт перед высевом семян и пропаривают и прожаривают всеми возможными способами, а вредоносные вирусы выживают!

Если засеять этот грунт семенами, обработанными, и даже неоднократно химическими методами, все равно молодые побеги могут быть поражены

Самое распространенное заболевание тепличных томатов табачная мозаика. Заражение происходит мгновенно: через пальцы, одежду, орудия труда от одного куста к другому, третьему.. В результате огромные потери урожая, а в случае эпифитотии (массового заболевания) можно и вообще его не получить.

Как защитить помидоры от вездесущего вируса табачной мозаики (ВТМ)? На помощь селекционерам пришли ученые-вирусологи под руководством профессора К. С. Сухова.

Чтобы выработать у растений сильные защитные реакции против вируса, их заражают специальным слабопатогенным (неопасным) его штаммом. Провоцирование этой вакциной мобилизует организм, и он уже своими силами препятствует размножению сильнопатогенного вируса, вызывающего заболевание. Как же приготовить вакцину, как найти слабопатогенные мутанты вируса? Вирусологи вели свои исследования в теплицах крупного совхоза-комбината «Московский». Здесь под культуру томата отведены значительные площади.

Из 140 тысяч обследованных растений лишь в 7 были обнаружены слабопатогенные вирусы. Их выделили эти 7 мутантов ВТМ. Затем шел долгий процесс выявления наиболее подходящего. Им оказался мутант У-69. При его использовании 70% растений томата сохраняются здоровыми, в то время как контрольные посадки, не обработанные вакциной, практически на 100% поражаются табачной мозаикой. Высокий защитный эффект вакцины У-69 бесспорен.

Сейчас работа по ее производству в лаборатории вирусологии Института общей генетики развивается на промышленной основе. Из совхоза «Московский» (с ним институт заключил хоздоговор) поступают растения, на которых накапливается мутант У-69. В лаборатории этот вирус выделяется, из него приготовляют препарат, сохраняющий свою активность при температуре 5℃ в течение 3 лет. Технология введения вакцины проста. Главное и обязательное условие — высокая стерильность этого процесса. Необходимо исключить случайное внесение вредоносных штаммов вируса табачной мозаики. 1 мл препарата, разведенного в 5 л воды, хватает, чтобы обработать рассаду для засеивания целого гектара. Опрыскивание производится с помощью обычного домашнего пылесоса.

Подтвержденный экономический эффект от применения У-69 составляет в среднем 10 тыс. руб. с гектара. Поэтому вакцина пользуется у работников теплиц большой популярностью: в 1964 году ею было обработано свыше 250 га закрытого грунта в тепличных хозяйствах Вильнюса и Киева, Чебоксар, Минска, Харьковской и Куйбышевской областей, Подмосковья. Сегодня вирусологи Института обшей генетики АН СССР могут обеспечить своей вакциной практически все имеющиеся в стране тепличные хозяйства.

Схема митоза в норме (А) и при воздействии на клетки растений алкалоидом колхицина (Б)
I. Интерфаза — подготовка и удвоение числа хромосом за счет синтеза ДНИ (общая для А и Б). II. Профаза — спирализация хромосом. Растворение ядерной оболочки (общая для А и Б). 

III. Метафаза — хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. Сформированы нити веретена (общая для А и Б, но у Б на стадии метафазы идет обработка колхицином). 

IV. Анафаза — расхождение хромосом к полюсам (для А). 

V. Телофаза — деспирализация хромосом, начало образования ядерных оболочек. Разделение цитоплазмы (для A). 

VI. Метафаза (для Б) — под воздействием колхицина хромосомы не расходятся вследствие нарушения нитей веретена. В результате этого образуется клетка с удвоенным числом хромосом, которая в дальнейшем участвует в митозе и образует аналогичные (как у А) дочерние клетки, но уже полиплоидные, с удвоенным набором хромосом.

3а разработку У-69 институту был вручен диплом ВДНХ СССР 1-й степени, а ученые — создатели препарата получили медали ВДНХ СССР.

Защитная вакцинация никак не конкурирует с селекцией вирусоустойчивых сортов и гибридов. Она лишь существенно дополняет ее и может служить эффективным средством для сохранения наиболее ценных урожайных сортов. Именно поэтому вирусологи и селекционеры должны работать в тесном сотрудничестве, чтобы создавать лучшие, продуктивные варианты растений.