«Наука в Сибири»
№ 17 (2952)
30 апреля 2014 г.
ПОЧТИ ДЕТЕКТИВНАЯ ИСТОРИЯ…
Детектив хорош тем, что концентрирует внимание, развивает воображение, моделируя развитие ситуации и выбор вариантов, усиливает стремление разобраться в хитросплетениях сюжета. Понятно, многое зависит от объекта, вокруг которого разворачивается действие. Причём объект, что и подтверждает беспристрастная практика, может быть самым неожиданным и обыденным. Вот, например, пшеница — веками возделываемая, привычная, любимая хлебная культура.
Л. Юдина, «НВС»
 |
«Происхождение современных культивируемых полиплоидных видов пшеницы — почти детективная история, не все страницы которой ещё прочитаны, — утверждает член-корреспондент Николай Петрович Гончаров, заведующий сектором генетики пшениц Института цитологии и генетики СО РАН. Тем более что история возделывания растений тесно переплетена с историей развития человечества.
Николай Петрович и возглавляемый им коллектив как раз из тех, кто стремится прочитать неразгаданные страницы. Сам он работает в ИЦиГ СО РАН без малого тридцать лет, после НГУ, который окончил в 1981 году, и очной аспирантуры во ВНИИ растениеводства им. Н. И. Вавилова в Санкт-Петербурге. Н. П. Гончаров — доктор биологических наук, известный специалист и в вопросах истории генетики и селекции растений. На счету учёного более 200 работ в области сравнительной и частной генетики пшениц и их сородичей, систематики и методических основ селекции.
История доместикации (введения в культуру) пшениц уходит корнями вглубь веков. И сколько в ней событий — большого и малого масштаба. Процесс исторического развития мира организмов, их видов, родов, семейств и т.д. преподносил и преподносит богатый материал исследователю, который к тому же увязывает общее с частным, индивидуальным развитием организмов.
— Николай Петрович, всё-таки интересно: столько лет множество специалистов изучают разнообразие растительного мира планеты, возделываемых растений, их диких сородичей, а работы не уменьшается?
— Слишком обширное поле деятельности! Прибегнув к образному сравнению, можно сказать, что научная лаборатория генетиков, ботаников и селекционеров, работающих с биоразнообразием растений, — вся наша огромная планета. А она такая разная, с неспокойным характером, порой и буйным нравом.
Условия произрастания растений не только на земном шаре, но и в районах Новосибирской области и даже в конкретных фермерских хозяйствах Новосибирского сельского района существенно отличаются друг от друга, что не может не сказываться на характеристиках возделываемых сортов. Такие порой ситуации возникают — прямо детектив: неожиданные повороты, загадочные моменты, всё новые и новые действующие лица.
Да и с происхождением культур далеко не все ясно. Вот представьте себе: 10–12 тысяч лет тому назад первобытный «селекционер» умудрился доместицировать дикарей и создать формы растений, которые кардинально изменили существование всего человечества и привели к тому, что мы сегодня называем нашей цивилизацией. Самое интересное, что эти шесть-восемь основных культур — пшеница, рис, кукуруза, ячмень, сорго, просо и др. — правда, значительно изменённые, до сих пор кормят население всей планеты. Причём наш предок сделал это не очень быстро, но тщательно, аккуратно и надёжно (на века). С тех пор в культуру вводились только второстепенные для питания человечества виды.
Наш далёкий предок провёл селекцию точечно, по определённым признакам, используя при этом, как мы сегодня знаем, мутации в регуляторных генах, частота которых на порядок превышает таковую в «обычных» генах. Генный инженер, да и только! Это сейчас генетические и молекулярно-генетические методы позволяют приблизиться к разгадке тайн происхождения и доместикации основных хозяйственно важных растений, выявить взаимоотношения между ними, наметить пути дальнейшего изменения.
— А действительно со временем пшеница стала основной возделываемой культурой, по меньшей мере, для трети человечества, и интерес к ней исследователей не ослабевает?
— Пшеница мягкая, или хлебная — объект довольно сложный для изучения, я бы сказал, даже крайне неудобный. У нее сложный полиплоидный геном, в котором объединены три генома, каждый из которых пришел от разного предкового вида, и непонятно, когда их досконально изучат генетически и секвенируют. Определённые подвижки есть у специалистов, занимающихся частной генетикой, то есть генетикой одной культуры, и молекулярных биологов. В их число входят и сотрудники нашего института. У пшениц в результате секвенирования установлены нуклеотидные последовательности только отдельных участков хромосом и только одна целиком. А всего у мягкой пшеницы 21 пара хромосом. Это очень много. Например, у риса или кукурузы всего по семь пар. Кроме того, у пшеницы, в отличие от многих других видов возделываемых растений, большой геном. В нём много повторов. Всё это значительно затрудняет процесс секвенирования. С другой стороны, вероятно, только такой сложный геном обеспечивает мягкой пшенице «космополитизм» — она не растет только в Антарктиде. Недавно её и на МКС вырастили.
— Круг проблем вашей лаборатории?
— Пшениц в мире очень много, и чтобы не запутаться в их разнообразии, всё надо разложить по полочкам. Мы занимаемся систематикой, таксономией, филогенией, генетикой конкретных признаков, их интрогрессией (переносом) из видов-сородичей в возделываемые виды, то есть выстраиваем фундаментальную систему генетических знаний о культуре. Если порядка и всесторонней информации нет, то непонятно, какие конкретно признаки и в каком случае использовать, кого с кем, как и в какой последовательности скрещивать и т.д.
— Именно за счёт подобных «манипуляций» создаются генетические коллекции, пополняются генетические банки?
— В том числе. Материал не только должен храниться, но может и эффективно использоваться, а это возможно только если он правильно определен и хорошо генетически изучен. При этом систематика становится во главу угла. Знаменитый Карл Линней любил повторять: «Если нет названия, то и погибнет само познание вещей». Нет названия — нет и вида. А построить удачную систему рода, сделать её удобной для пользователей можно только на основе всестороннего сравнительно генетического и молекулярно-биологического изучения родственных отношений (филогении) пшениц и их сородичей. И если у людей часто возникает вопрос, кто папа, то для пшениц первостепенен — кто мама? Т.к. цитоплазма определяет энергетику организма, а следовательно, характер будущих сортов. Иногда какой-то один признак, выявленный в процессе классификации, может сыграть существенную роль в решении сложной проблемы.
Как я уже упоминал, пшениц много, и у каждой свое предназначение. Например, из диплоидной пшеницы не испечь хлеба, но она годится в качестве гарнира. Из тетраплоидных твёрдая подходит для производства макарон, а полба — для приготовления каши (помните у пушкинского Балды: а кормить меня будешь варёною полбой). Хлеб лучше всего из гексаплоидной мягкой пшеницы. Чтобы узбекская лепёшка долго не черствела, в неё необходимо добавить муку тучной пшеницы и т.д. Человек за 10 тысяч лет почти всем пшеницам нашёл применение.
— Ну, а если под руками нет твёрдой пшеницы, можно сделать макароны из мягкой?
— Получится что-то типа тех неэстетичных, грубых, серых, «условно съедобных», которые одно время производились. При варке они приобретали ещё худшие качества: расползались, склеивались, да и по питательности были далеко не лучшими.
— Всё равно результат достигается методом проб и ошибок?
— Это, если выражаться фигурально — разумеется, поставленная задача решается не по мановению волшебной палочки, не мгновенно. Процесс, как правило, длительный и сложный. В основе — современные методы, новые технологии, но от посева до сбора урожая четыре долгих месяца. Поэтому просто жизненно необходимо использование накопленных предшественниками материала и знаний о нем. Возьмите знаменитую ВИРовскую коллекцию, начало которой положили академик Императорской Санкт-Петербургской АН Иван Парфеньевич Бородин, доктор садоводства Роберт Эдуардович Регель и академик АН СССР Николай Иванович Вавилов и которой в этом году исполняется 110 лет. В ней 30 тысяч образцов пшениц, и тем не менее, в ходе как научной работы, так и селекционной практики постоянно не хватает каких-то признаков или их выраженности. Особенно «дефицит» генов устойчивости к вредителям и болезням. И проще всего гены, контролирующие устойчивость, переносить из видов сородичей. Тут, конечно, тоже большая работа, рассмотреть их досконально, изучить, какие признаки наследуются и прочее.
— А дикие сородичи сегодня принимаются во внимание?
— Не так часто, как хотелось бы. Изучаем их, что-то используем. Я каждый год езжу в экспедиции — по стране, по миру, объект изучения всё тот же — пшеницы. В так называемых центрах происхождения возделываемых растений встречаются ещё и дикие виды пшеницы и их сородичи. Огорчает, что их ареалы заметно сужаются — цивилизация наступает — прокладываются дороги, ведется строительство и как раз в тех районах, что представляют для нас интерес.
В прошлом году побывал в Армении. В окрестностях Еревана около села Шорбулах создан заповедник специального назначения, как раз ориентированный на сохранение диких пшениц и их сородичей, туда приезжал в своё время и Н.И. Вавилов, называвший такие места «пеклом творения». В Израиле ещё встречаются отдельные небольшие участки диких видов пшеницы и их сородичей на неудобьях, на скалах, однако и их с каждым годом всё меньше. Надежда только на заповедники.
В Турции ситуация обратная. Широкое внедрение механизации приводит к тому, что высокогорные поля, обрабатываемые раньше вручную, забрасываются и превращаются в летние горные пастбища. И их занимают дикие пшеницы. Если академик П. М. Жуковский 80 лет назад смог собрать единичные растения, то теперь их гектары. Правда, в Турции принят закон о запрете вывоза растительного материала. Турецкое биоразнообразие — достояние республики, в то время как наши коллекции публичны.
 |
| Во время экспедиции в Эфиопию. |
Два года назад наша экспедиция была в Эфиопии, прошли по маршруту Николая Ивановича Вавилова, побывали в тех точках, где он собирал материал. А объехал учёный-генетик с экспедициями по сбору растительных ресурсов пять континентов, трудно назвать уголок, где он не побывал. Посмотрели, что изменилось в тех краях за прошедшие 85 лет, какие виды сохранились, как изменилось земледелие, набор культур. И, надо заметить, глобализация и здесь внесла заметные коррективы, сузила биоразнообразие. Нужно успеть собрать, что ещё не собрано, изучить и положить на хранение.
В этом плане Президиум СО РАН своевременно финансирует междисциплинарный проект по созданию хранилища биоразнообразия в вечной мерзлоте в Якутске при Институте мерзлотоведения СО РАН. И если аналогичное всеевропейское хранилище в Норвегии на Шпицбергене растает при повышении среднегодовой температуры на Земле на 5 градусов, то Якутскому генбанку не страшно и
— Скажите, Николай Петрович, свои теоретические работы вы выполняете с прицелом на практику, на сельское хозяйство?
— Здесь взаимосвязь очевидная. Сотрудничество «разных родов войск» в этой сфере — непреложная истина. На одной из конференций ещё в
Весь материал, который изучаем по генам устойчивости, по другим генам, в том числе контролирующим адаптивность (точнее пластичность) к различным климатическим условиям, передаём селекционерам. Они используют всё доступное разнообразие возделываемых растений и их сородичей, и те данные, что получают от коллег из академических институтов, для них чрезвычайно важны.
Много общаемся с ВИРом, и когда нужен материал, идём к ним. Ну и сами по мере возможностей помогаем коллегам — времена нынче такие, что отсутствие должного финансирования увеличивает нагрузки на ответственных людей. Должен заметить, что ВИРовская коллекция в сравнении со многими другими генбанками мира не только удобна для пользователя, но и наиболее репрезентативна. Не говоря уже о её потенциальной стоимости: специалисты «Всемирного банка» (the World Bank) оценили её почти в 8 триллионов американских долларов (это сравнимо с ВВП Единой Европы). А всё потому, что собранная со всех уголков мира коллекция, в том числе и пшениц, тщательно изучена, систематизирована и описана: почти у каждого вида есть свой куратор или, по крайней мере, был в лучшие времена.
Классификацию, которую используют западные коллеги, я бы назвал чересчур «экономной». Она создавалась «чистыми» ботаниками, позже её стали использовать многие западные генбанки, когда компьютеры были ещё слабы. Ну а сейчас — по привычке. Там, например, любят все виды тетраплоидных пшениц включать в один «сборный» вид, а значит, есть возможность попросту запутаться в материале. Скажем, приходит посетитель, излагает свою просьбу. А среди сборного вида и польская пшеница (она имеет длинную чешую), и эфиопская (с фиолетовыми зернами), и твёрдая, и т.д. И за чистотой такого сборного вида сложно следить. У нас же если написано, что этот вид называется пшеницей польской, то в нём никогда не может быть форм с фиолетовым зерном или короткой колосовой чешуей. И следить за видовой аутентичностью может даже любой школьник после 10-минутного инструктажа. Как ни странно, неудачную для генбанка классификацию используют и в генбанках Департамента земледелия (Минсельхоза) США.
Тут ведь в чём загвоздка? Непонятно, что потребуется в тот или иной момент. Ещё совсем недавно считалось, что человек если и не победил окончательно, то, по крайней мере, минимизировал потери урожая пшеницы от ржавчинных грибов. Однако чуть более десяти лет назад в Уганде появилась новая раса U99 стеблевой ржавчины и «съела» весь урожай пшеницы без остатка.
Заметим, что это потенциальное естественное (природное) биологическое «оружие» у нас никем не контролируется. При развале СССР в
— Теперь, значит, стеблевая ржавчина пшенице не страшна?
— Сказать, что победили её окончательно, не совсем точно. Жизненный цикл ржавчины короче, чем у пшеницы. Она эволюционирует значительно быстрее и через какое-то время может начать «пробивать» ген(ы) устойчивости. Сколько урожаев она уже погубила! Борьба с болезнями растений, их прочими многочисленными врагами ведется постоянно, используются разные приёмы, формы, методы, самые современные методики и достижения. Одних врагов побеждаем, другие, не менее опасные, появляются. В Краснодаре академик Л. А. Беспалова создала целую селекционную индустрию, там устраивают мозаику сортов, своеобразный конкурс генов устойчивости для местных рас патогенных грибов. И как что-то им только начинает нравиться, такой сорт сразу выводится из производства и заменяется новым, который им «не по зубам». Генетики всего мира стараются восполнять «дефицит» новых генов устойчивости, заимствуя у сородичей. Мы тоже не можем стоять в стороне.
Постоянно возникают новые задачи. Один из сотрудников моего сектора д.б.н. А. А. Коновалов совместно с коллегами из Новосибирского института органической химии СО РАН изучает полиморфизм ферментов, контролирующих процесс лигнификации тканей злаков, изменяющих у них механические свойства стеблей. Мутанты можно использовать в селекции на неполегаемость, а стебли (солому) — как возобновляемые источники различных ресурсов, как материальных (в основном, вискозное волокно), так и энергетических (биотопливо). Так что проблем у нас, генетиков, немало. Приходят к нам селекционеры и чётко формулируют задачу. Естественно, спешим на помощь.
— Но почему-то к сельскому хозяйству с годами всё больше вопросов, проблем не уменьшается, хотя, кажется, немалые средства вкладываются. Наверное, что-то главное упускается?
— Причин я могу назвать вам множество, и объективных и субъективных. И всё-таки зачастую всё упирается в отсутствие необходимой суммы денег. Сельское хозяйство, подверженное влиянию всевозможных природных катаклизмов, ещё и очень затратная область. Техника, горючее, дороги, удобрения и т.д. и т.п. На тридцать миллионов гектаров сократились за последние годы площади под сельскохозяйственные культуры в РФ. Не хватает того, другого, третьего. Азотных удобрений вносится примерно один килограмм на гектар — как в 1914 году. Дорогие очень нынче удобрения. А паритета цен на сельскохозяйственную и химическую (да, и вообще промышленную) продукцию нет. Вот и занимаются генетики и селекционеры созданием дуракоустойчивых сортов.
— Это как понимать?
— Чтобы посеять, и всё росло само по себе — без применения даже минимальной агротехники, без удобрений, без всякой дополнительной обработки. Но чудес не бывает, к сожалению. При минимальном уходе и урожай минимальный. Закон сохранения: из ничего ничего и не появится. Хотя, пшеницы сами могут накапливать в почве связанный азот за счёт ассоциативной азотфиксации. Но на этот признак селекция у нас никогда не велась, т.к. мы были богатыми и производили минеральные удобрения практически в достаточном для сельскохозяйственного производства количестве.
— А фермерские хозяйства не спасут положения?
— Не тот масштаб, да и сил у них не хватит. Фермер не может позволить себе затратную технику типа комбайна (который работает не более двух-трех месяцев в году) и ещё много чего для нормального хода процесса: вовремя купить горючее, отремонтировать трактор. У кемеровчан, к примеру, денег больше, чем в нашей области, так и сельское хозяйство развивается интенсивнее. В Тюменской области — тоже. И вообще в мире стремятся к укрупнению хозяйств, а мы — в XIX век. Так, в США за последнее столетие число фермерских хозяйств сократилось втрое, их средний размер превысил 200 га, при этом около 80 % производства сельскохозяйственной продукции оказалось сосредоточено в 8 % крупнейших хозяйств с площадью от 1500 га и выше. А фермеры типа наших там нужны только для производства экологически чистой продукции, и чтобы безработицы в сельской местности не было.
— А те 30 процентов сельскохозяйственных земель, выведенных из оборота, когда-нибудь смогут вернуться к нормальной жизни?
— Для этого потребуется специальная техника, добрая воля и много денег — почти за два десятилетия все бывшие поля крепко заросли, уже и молодые деревья на них зеленеют. Предстоит все деревья и кустарники, где это ещё возможно, выкорчевать, а корневищные сорняки вычёсывать. Сейчас в Сибирском НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства СО РАСХН (бывшего) активно занимаются этой проблемой, создавая вместо плугов вычёсыватели корней и корневищ.
— Вы сотрудничаете с коллегами?
— Обязательно.
— И всё-таки, Николай Петрович, что может помочь нашему многострадальному сельскому хозяйству?
— Как-то так повелось со времен первого библейского земледельца Каина: «Проклят ты от земли». Хотя всем кушать хочется. Однако пока власть не поймёт, что нефть, золото — это не богатство, богатство — это еда (пища). Разнообразие пищи базируется на естественном биоразнообразии: пропадёт образец, сорт, вид, и его больше никто никогда не восстановит. Виды вымирают безвозвратно, сорта исчезают бесследно. А нам в недалёком будущем или нашим потомкам, если мы только это вовремя не соберём и не сохраним в генбанках или рабочих коллекциях, для полного счастья чего-нибудь уникального не хватит...
стр. 3, 7