Генетика за запитом споживача — як у ВНІС впроваджують найсучасніші методи селекції культур

Наша розмова відбувалась якраз у відділі біотехнології та генетичної інженерії рослин, створеному в компанії 5 років тому. Пан Мирослав провів нам невелику екскурсію лабораторіями відділу й тим часом розповів про основні напрями генетичних розробок, застосовувані методи, завдання та напрацьовані результати. 

«По суті, селекційна робота — це створення нових генотипів. Класичний добір передбачає створення нових генотипів шляхом схрещування. Але, як ми сьогодні розуміємо, це робота наосліп. Тоді як сучасні знання, методи, обладнання дають змогу зазирнути всередину. Більше того, частина шляху полягає в керуванні цими процесами. Таким чином, селекціонери сучасності — уже стали «зрячими», — спершу пояснив Мирослав Парій.

Задум щодо необхідності такої біолабораторії виник у пана Мирослава ще у його «аспірантський» період, коли він працював над дисертацією. Сьогодні цей задум втілено, завдяки чому для ВНІС відкрилися можливості значно швидше створювати лінійки комерційних гібридів залежно від потреб аграріїв. Працюють з основними культурами, які є комерційно цінними для селекційної компанії, якою є ВНІС. А саме з озимим та ярим ріпаком, соняшником, кукурудзою і пшеницею.

Мирослав Парій, директор і співвласник ВНІС

Знайшли можливості доступу до новітніх світових технологій, оснастили лабораторію найсучаснішим обладнанням та залучають вітчизняних (і не тільки) фахівців у цій галузі. З останнім складніше, адже більшість українських талановитих генетиків та біотехнологів зазвичай націлені на провідні зарубіжні установи. Та у ВНІС знаходять, чим зацікавити молодих і перспективних, таким чином формуючи фаховий колектив.

До справи вирішили підійти з різних боків, працюючи одразу в кількох напрямках.

Насамперед, це культура тканин, клітин і органів, що дає змогу з окремих частин рослин і клітин отримати цілу рослину. Друге — використання маркерів ДНК. 

Таким чином, з усього різноманіття, яке створюється у ВНІС, можна вже на першому етапі, не вивчаючи в польових умовах, викинути все, що апріорі дасть низьку врожайність, ґрунтуючись на знаннях щодо відповідних ділянок хромосом.

Ми у Telegram

Тримай руку на пульсі важливих агрономічних новин та подій

Прискорення селекційного процесу

 Найбільш цінний ресурс в нашому житті це час. Більшість селекційних компаній намагається прискорити створення нових гібридів та сортів за рахунок отримання декількох поколінь рослин за один рік. Використання теплиць та фітотронів взимку дозволяє отримати до трьох поколінь за рік (це не стосується озимих культур). Інший підхід — переміщення матеріалів протягом року в розсадники, розташовані в іншій півкулі нашої планети, коли в Україні зима, а в країнах Південної Америки або в Австралії — літо. Таким чином можна скоротити час на створення гібридів удвічі-втричі.

Для деяких культур, в тому числі ярого ріпаку та ярих зернових, розроблено методику отримання до п’яти-шести поколінь за рік. Для цього використовують кліматичні камери, які забезпечують оптимальний температурний режим та подовжений світловий день. Кукурудза і соняшник — культури короткого світлового дня, тому для них не підходить описана вище технологія. Тут на допомогу приходять методи культивування рослин in vitro.

Для прискорення селекційного процесу кукурудзи та соняшнику використовують метод культивування незрілих зародків. Суть процедури полягає в ізоляції зародків із незрілого насіння та їх пророщування на спеціальних живильних середовищах. Зародки ізолюють через 14-20 днів після запилення, а проростають вони протягом 5 днів. Таким чином пропускається період достигання насіння, а також період спокою. Поєднання біотехнологічних методів і вирощування в теплицях дає змогу отримати до чотирьох поколінь кукурудзи та соняшника за рік.

Для створення нового гібриду необхідно отримати 7-10 поколінь культури. Сучасні технології, які використовуються в лабораторіях ВНІС, дозволяють створювати гібриди за два роки. Вузьке місце тут — потреба випробовувати нові генотипи у виробничих умовах, щонайменше три роки. Цей етап неможливо прискорити, тому мінімальний період, необхідний на створення та реєстрацію нового гібрида, становить 5 років. Саме тому селекція — процес постійний і ніколи не зупиняється. Ті гібриди, які сьогодні представлені на ринку, — це досягнення щонайменше 3-річної давності, а найкращі генотипи сьогодення зможуть проявити себе в полі лише через декілька років.

«Як я вже казав, селекція, по суті, маніпулює геномом. І ним можна маніпулювати в цілому, а можна оперувати окремими генами і, відповідно, окремими ознаками. Й те, що ми знаємо сьогодні як генетично модифікований організм, є одним з підходів, який дає модифікувати геном», — зазначає пан Мирослав.

І додає, що сьогодні компанія активно працює над створенням власних (тобто в розумінні як ВНІСа, так і загалом вітчизняних) генно-модифікованих рослин. Передусім йдеться про кукурудзу й ріпак за ознаками стійкості до гербіцидів (зокрема, до д.р. 2,4-Д, фосфінотрицину, глюфосинату амонію, дикамби, гліфосату).

Також «у фокусі» стійкість до шкідників. Це особливо актуально з огляду на близьку загрозу навали діабротики — карантинного шкідника кукурудзи, який дістався українських полів порівняно недавно, але поширюється стрімкими темпами із заходу на схід.

Поки що до певної міри цей шкідник контролюється традиційними карантинними заходами і так само до певної міри — хімічними засобами. Але одним з ефективних інструментів, на думку Мирослава Парія, могло б стати висівання гібридів кукурудзи з генетичною стійкістю до цих шкідливих комах.

ВНІС уже проводить дослідження в цій галузі. В лабораторних умовах вводять у кукурудзу ген, який визначає стійкість до західного кукурудзяного жука, й наступної весни мають шанс отримати перші рослини  з такими властивостями. Але практичній реалізації та комерціалізації цієї розробки заважає відсутність в Україні реєстраційної системи стосовно створених за допомогою генної інженерії продуктів.

«Також як результат роботи за цим напрямом уже маємо ріпак, стійкий до гліфосату. Причому для його створення ми використовували гени не бактерій, як у відомої компанії, а гени рослини. Тобто те, що ми «вставили» в ланцюжок ДНК, було взято з того ж  ріпака, відповідним чином змінено і поміщено назад. Цей ріпак має достатню стабільність. Тепер ми чекаємо процедури реєстрації, щоб негайно зареєструвати цю біотехнологічну культуру і вийти з нею на ринок», — зазначив директор ВНІС.

Наразі розробники вже мають третє покоління озимого ріпаку, стійкого до гербіцидів.

YouTube-кaнaл SuperAgronom

Підписуйтесь нa YouTube-кaнaл СуперAгроном

Процес розробки біотехнологічних продуктів

Безпосередньо розробка нового продукту, створеного за допомогою методів біотехнології, розпочинається з визначення потрібних якостей та виявлення й вибору генів, які за них відповідають. Потім  у спеціальній комп’ютерній програмі створюють відповідну послідовність ДНК, а подальша робота відбувається безпосередньо з біоматеріалом.

Зокрема, методом ПЛР (полімеразно-ланцюгової реакції) створюють багато копій потрібних ділянок ДНК. Це відбувається «у пробірці», але за допомогою тих самих ферментів, що й у клітині. Таке копіювання потрібне, щоб потім впровадити ділянки ДНК в рослинний геном і виявляти, як він там працює — спочатку на живильних середовищах в лабораторних умовах. Так попередньо виявляється стійкість характеристики.

Далі відбувається розмноження in vitro рослин з модифікованими генами — згаданими вище способами.

Щоб показати процес розмноження in vitro Мирослав Парій повів нас у так зване термальне приміщення. У ньому розміщені стелажі зі скляними посудом, в якому під режимним освітленням, в асептичній культурі на живильному середовищі вирощують «чистий», безвірусний матеріал.

«Але це ще не все. Ми працюємо значно глибше і наша робота значно цікавіша. Власне, ввести «чужорідний» ген в рослину — не проблема. Бо тут використовується наявний механізм, що постійно відбувається і в природі. В агробактерії мутація — це звичайне явище. Як відомо, ґрунтові бактерії інвазують свій генетичний матеріал у кореневу систему рослини. Схожі механізми використовують дослідники», — зауважує пан Мирослав.

Загалом, отримати трансгенні клітини —  не проблема. Складніше з них отримати цілісну рослину з бажаними властивостями.

Саме з цією метою і використовують спеціальні методики розмноження рослинного матеріалу. Наприклад, у чашки Петрі з живильним середовищем, у якому міститься і певний гербіцид, поміщають частини рослин, які мають трансгенні клітини з геном стійкості до цього гербіциду. А також частини рослин, у клітинах якої цей ген відсутній. Клітини у перших починають активно ділитися, і з них виростає маленька рослинка. Тоді як другі, без вставки потрібного гена, пригнічуються гербіцидом і не розвиваються. Так можна переконатися, що «трансформованим» рослинам властива стійкість до відповідної діючої речовини.

Далі отримані таким чином рослини проходять ще низку перевірок у лабораторних та тепличних умовах, після чого дослідження переходять у польові умови, де відбувається доведення розробки до комерційного рівня.

За словами Мирослава Парія, увесь етап аж до виведення гібриду на ринок займає приблизно 5 років.

Застосування технології CRISPR-Cas9

Метод CRISPR-Cas9 передбачає «редагування» вже існуючих генів. Тобто йдеться не про «вживлення» чужорідного генетичного матеріалу (як у випадку зі створенням звичайного ГМО), а про певні мутаційні зміни того, який відповідає за якісь радикальні ознаки (наприклад, стійкість до гербіцидів тощо). Сама назва технології складається з 2 частин. CRISPR — це прямі повтори та унікальні послідовності в ДНК, а Cas9 — це білок, який здатен розпізнавати конкретні ділянки в ДНК і «розрізати» їх, тим самим вносячи корисні мутації.

Цей підхід, ще новий, але вже зрозуміло, що він допомагає створювати біотехнологічні продукти простіше, швидше та ефективніше.

«Ми працюємо в декількох напрямах за технологією CRISPR-Cas9. По-перше, змінюємо жирнокислотний склад олії ріпаку. А по-друге, проводимо дослідження щодо створення карликового сорту спельти», — каже Мирослав Парій.

Мирослав Парій із колективом лабораторії

Зараз спельта набуває популярності серед споживачів завдяки тому, що з неї виробляють тверді сорти борошна. З іншого боку, як культура вона має схильність до вилягання, зумовлену висотою рослини (від 100 до 170 см). Належить до виду з роду пшениці, карликові сорти якої можна було б застосувати у селекції відповідних сортів спельти. Однак, як зазначає пан Мирослав, виробники та споживачі не дуже позитивно ставляться до схрещування спельти із пшеницею м’якою. Вважається, що спельта таким чином втратить свою «ідентичність», адже цю культуру ще називають «дикою пшеницею», за що її й цінують у певному сегменті споживчого ринку. Тому класичний селекційний метод передачі генів у цьому разі небажаний.

«Карликовість пшениці є дуже корисною господарською ознакою, адже навіть за високих доз добрив рослини можуть розвиватись, як потрібно, формувати кращий врожай і не вилягати. Для спельти теж назріла потреба у створенні низькорослих сортів. І тут ми дещо «схитрили».  Дослідили гени, які відповідають за карликовість у пшениці м'якої, провели біоінформатичний аналіз, порівнявши ділянки геному спельти і пшениці м'якої. Таким чином з'ясували цільові  ділянки в генах спельтй й тепер працюємо над створенням карликового сорту без схрещування з пшеницею м'якою», — поділився Мирослав Парій.

Крім цього, фахівці ВНІС працюють ще з одним напрямом у рамках технології редагування генів CRISPR-Cas9. Це вже більш фундаментальна робота. Яка ґрунтується на одній із властивостей білка Cas9.

«Як відомо, молекула ДНК має вигляд подвійної спіралі. А білок робить три речі: розрізає один ланцюжок і розрізає другий ланцюжок. Але перше, що він робить об'єднуючись з РНК, знаходить місце, де потрібно робити цей надріз. Якщо блокувати функцію розрізання, то Cas9 буде лише розпізнавати місце на ДНК, «сідати» і блокувати його. Так от ми плануємо заблокувати ген, відповідальний за рекомбінацію генетичного матеріалу для контролю процесів розмноження і передачі генетичної інформації», — пояснив директор ВНІС.

Адаптація рослин до вирощування в ґрунті

 Після того як рослини, що культивуються in vitro, розвиваються достатньо, аби самостійно забезпечити себе усім необхідним для життєдіяльності, їх пересаджують у грунт. Такі рослини дуже слабкі і вразливі протягом першого тижня після пересадки, тому їх тримають в умовах підвищеної вологості й поступово знижують до рівня навколишнього середовища. 

Адаптаційна кімната обладнана спеціальними фітосвітильниками, які забезпечують рослини повним спектром видимого світла й автоматикою, яка контролює тривалість світлового дня, температуру і вологість повітря.

Окрім адаптації рослин, в цьому ж приміщенні розмножують найбільш цінні генотипи рослин. Умови підібрано так, що кожна рослина отримує оптимальну кількість світла і поживних речовин, таким чином отримують достатню кількість насіння для подальшого тестування в умовах відкритого грунту.

Ще один важливий напрям роботи — транзієнтна експресія генів. Суть методу полягає в синтезі рослинами нехарактерних продуктів, в основному білків. Перевага цього методу в тому, що за короткий проміжок часу (близько двох тижнів) можна накопичити в рослині велику кількість продукту. Ще одна перевага — відсутність потреби додаткового етапу культивування in vitro. В такий спосіб можна накопичувати в листках лабораторних рослин білки для використання в фармацевтичній, кулінарній та інших промисловостях.

Явище, яке лежить в основі методу, носить тимчасовий характер, тож, по суті, рослини не є ГМО в широкому розумінні і здатність до синтезу чужорідних білків не успадковується.

«Це технологія майбутнього, яка дає змогу нам без створення генетично модифікованих організмів змінювати властивості рослин, навіть у в польових умовах», — каже пан Мирослав.

Екскурсія наша тривала довго, Мирослав Парій у подробицях захоплено розповідав про розробки, методи, дослідження, про співпрацю з вітчизняними університетами та науковими установами (і зарубіжними також), про колектив, що складається з молодих фахівців, які горять своєю справою, про перспективи та плани.

А  загалом біотехнологія  — це і справді майбутнє сільського господарства. Без цього людство не впорається з викликами, що постають перед ним. Від потреби нагодувати народонаселення, що зростає, і до кліматичних змін. Важливо, що Україна не пастиме задніх у цих процесах. І завдяки, зокрема, таким приватним ініціативам та ентузіазму, має шанс поступово підтягнутися до рівня передових країн у галузі селекції та розвитку новітніх технологій в агровиробництві.