Представьте хвойный лес: тысячи деревьев, и все они клоны, копии одного-единственного дерева. Еще эти клоны выведены из криозаморозки — настоящая криоконсервация и клонирование. Чем не сюжет фантастического фильма? Однако для красноярских биологов это реальность. О том, как ученые претворяют в жизнь сюжеты из научной фантастики, рассказали главный научный сотрудник доктор биологических наук Ираида Николаевна Третьякова и научный сотрудник Мария Эдуардовна Пак, обе они работают в лаборатории лесной генетики и селекции Института леса им. Сукачёва ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН».
Ираида Третьякова Мария Пак
Лабораторный лес
Не секрет, что леса — это сырьевой ресурс, который легко уничтожается и долго восстанавливается. Каждый раз, когда промышленности нужна древесина, приходится жертвовать лесом и вековой экосистемой.
Что, если не пускать технику в естественные леса, а вырастить деревья на плантациях? Взять от природы самое лучшее и размножить в лаборатории, чтобы обеспечить экономику и не разрушать при этом дикий лес. Такую возможность предлагают ученые Института леса им. В. Н. Сукачёва ФИЦ КНЦ СО РАН.
Подобные работы — когда хвойные размножают в лаборатории — ведутся в Швеции, Новой Зеландии, Канаде, Франции, Финляндии, Германии и Китае. Ведь проще и дешевле клонировать деревья на специальных плантациях, чем вырубать, а потом восстанавливать леса. В России в 2008 году в ИЛ СО РАН были получены первые клонированные культуры лиственницы. Сейчас в коллекции института 42 клеточные линии лиственницы сибирской, четыре линии сосны сибирской кедровой и три — ели сибирской. Метод получения таких культур — это одна из разработок красноярских ученых, которая защищена патентом.
Космический отбор
Ученые клонируют далеко не первое попавшееся дерево. К выбору кандидата подходят так, будто набирают космонавтов в полет на далекие планеты. Деревья должны быть сильными, здоровыми, устойчивыми к заболеваниям и стрессам, будь то долгая засуха, нападение насекомых-вредителей или бактерий. Такая строгость необходима для того, чтобы клоны не погибли при выращивании и стали крепкими деревьями с превосходными качествами.
Одна клетка вместо тысяч семян
В лаборатории на стеллаже стоят сотни крошечных ростков. Настоящий мини-лес из клонов сибирской лиственницы под искусственным солнцем светильников.
Начинается всё с клетки. В основе метода получения клонов — соматический эмбриогенез, природное явление, освоенное биотехнологией. Это бесполое вегетативное размножение растений, основанное на способности кусочка растения вспомнить, что он часть целого дерева, и при правильных условиях вырасти в дерево заново. В каждой клетке спит полная инструкция по полной сборке организма. В природе это работает, например, с веточкой, которую воткнули в землю и она дала корни.
В лаборатории ученые берут у деревьев, что ранее прошли отбор, крошечный кусочек ткани, буквально два-четыре миллиметра, и помещают в питательную среду в чашку Петри. Там биологи создают условия, при которых у вегетативной клетки пробуждается записанная программа, и эта клетка начинает развиваться как зародыш, такой же, как в семечке.
Из таких клеток специалисты создают целую популяцию: они делятся и размножаются без остановки. Их можно переселять в свежую питательную среду, и клетки продолжают расти. Получается практически бесконечный источник соматических зародышей. Из одной клеточной линии в год можно получить 3,5 килограмма эмбриогенной массы — до одиннадцати тысяч начальных зародышей на один грамм и чуть более тысячи зрелых зародышей с того же грамма. В одной клетке буквально спрятан целый лес. С помощью такой технологии можно проводить масштабное размножение хвойных видов с хорошими характеристиками.
Замороженные эмбрионы
Делящиеся эмбриогенные линии сохраняют свою активность в течение двух лет, и этот срок можно продлить. Здесь на помощь снова приходит технология, знакомая по научной фантастике — криоконсервация. Специалисты используют морозильные контейнеры для консервирования эмбриогенных линий. Процесс очень простой, отмечают ученые, а процент восстановления зародышей «изо льда» довольно высокий. При криоконсервации в течение 22 лет удалось восстановить 95 % клеточных линий.
Параллельно биологи используют и геномную селекцию. Она позволяет спрогнозировать внешние признаки и характеристики дерева, такие как высота, толщина ствола, форма кроны, устойчивость к засухе, засолению, морозам или болезням — то есть все внешние проявления, заложенные в генах. С помощью геномной селекции можно по кусочку ткани на очень ранней стадии, без долгих полевых испытаний понять, каким будет дерево через десять или двадцать лет. Благодаря этому удастся сократить сроки сортоиспытания в рамках программ лесоразведения.
Мутанты и другие проблемы
У любой клональной технологии есть ахиллесова пята — это генетическое однообразие. Если создать целый лес из одного клона, он окажется беззащитным перед новым вирусом или вредителем. Второй риск — накопление мутаций при долгом выращивании клеток в пробирке, использовании гормонов и стимуляторов роста. В норме у лиственницы 24 хромосомы, но ученые отмечали, что иногда в культуре появляются клетки с 13, 22 или 25 хромосомами. В результате теряется генетическая идентичность клона, и он перестаeт быть точной копией исходного растения с ценными признаками.
Специалисты проверили, насколько часто случаются такие генетические сбои и стоит ли их опасаться. Хорошая новость: у лиственницы сибирской геном оказался достаточно постоянным. Геномные мутации случаются редко, частота аномалий не превышает 10 %. Это значит, что эмбриогенные клеточные линии сохраняют стабильность долгие годы и могут успешно использоваться для плантационного выращивания леса.
Тем не менее биологи решили, что для успешного размножения хвойных растений с помощью соматического эмбриогенеза необходимо проводить регулярный контроль эмбриогенных культур, выявлять генетические нарушения и отбраковывать «мутантов».
Вопрос биоразнообразия тоже удается решить. Чем большее количество деревьев участвует в клонировании, тем ниже риск потери генетического разнообразия. Специалисты уточнили: достаточно 10—20 сортовых деревьев, чтобы всё работало как часы. Такое количество гарантирует сохранение важных генов и отвечает за большую часть наследственных признаков. К тому же к клонированию допускаются только здоровые деревья, те самые «космонавты», поэтому их клоны изначально более устойчивы к болезням и вредителям.
Фабрика деревьев
Как именно из клетки получается лес? Процесс соматического эмбриогенеза у хвойных проходит пять этапов. Сначала соматические клетки помещают в среду с гормонами, где они начинают делиться, удлиняться и берут курс на превращение в зародыш. Клетки сидят в этой среде чуть больше месяца, 30—45 дней. Далее в клеточном «супе» формируется эмбриогенная ткань, в которой происходит активное образование соматических зародышей. После этого их переносят на среду с другим гормональным коктейлем, где зародыши созревают. После созревания они переносятся в среду без гормонов, где прорастают 5—8 недель, у них появляются корни и семядоли — самые первые листики. Это уже молодые, но еще хрупкие сеянцы. Чтобы адаптировать их к будущим условиям вне лаборатории, сеянцы пересаживают в горшочки и дают им окрепнуть в камере роста в течение трех месяцев. Весь цикл занимает 4—9 месяцев, и снова процесс похож на главу научно-фантастической книги. Это словно подготовка колонизаторов для заселения новых планет — адаптация к новым, непривычным и, вероятно, суровым условиям. Не каждый сеянец проходит этот отбор — некоторые не справляются со сложностью условий.
Когда клонированные растения достигают 2—3 сантиметров с хорошими корнями, они готовы к высадке в теплицу, где за ними следят специалисты: регулярный уход, полив и борьба с сорняками. Там саженцы проводят еще год. Это перевалочный пункт на пути. Следующий шаг — «выход в открытый космос», посадка в почву лесного питомника.
Высадка
Первые клоны уже 14 лет успешно растут в условиях лесопитомника в экспериментальном хозяйстве «Погорельский бор» Института леса. Деревья здоровы, и их не трогает такой вредитель, как лиственничная почковая галлица, обычно деформирующая почки лиственниц и наносящая им существенный вред. Самое примечательное, что темп роста клонов почти в полтора раза выше, чем у деревьев, полученных из семян: высота семилетних клонов достигала двух метров. В возрасте семи лет у них появились генеративные органы размножения, которые в следующем году превратились в шишки. Что, как отметили ученые, было сверхрано для лиственниц. В восьмилетнем возрасте клоны дали собственные семена.
Технология плантационного лесовыращивания, основанная на соматическом эмбриогенезе, имеет ряд преимуществ перед обычным семенным. Она обеспечивает растениям более интенсивный рост по сравнению с полученными из семян; деревья отличаются превосходным качеством древесины и способны быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды, в том числе к изменению климата, за счет выведения устойчивых и адаптированных к конкретным факторам среды сортов. Технология может быть успешно реализована в крупномасштабном коммерческом производстве. При этом генетически тестированные линии деревьев с супербыстрым ростом, идеальной древесиной и иммунитетом к болезням можно долго хранить в криозаморозке и в любой момент разморозить, вырастить тысячи саженцев и заложить плантацию, которая даст урожай в два раза быстрее обычной. Теперь эта технология есть и в России. Специалисты отмечают, что в дальнейшем ее можно будет расширить и на другие виды хвойных деревьев.
В тексте представлены результаты многолетних исследований, которые были поддержаны грантами различных фондов. Поддержка последней работы осуществлялась Российским научным фондом и Красноярским краевым фондом науки (проект № 22-14-20008).
Мария Байкалова
Фото Анастасии Тамаровской
