Природный механизм клонирования. Часть 2

Продолжение. Начало – здесь.

Еще в советское время молодой аспирант Д.Ф. Петров выступил с инициативой создания в Институте Цитологии и Генетики СО АН СССРлаборатории цитологии и апомиксиса растений. Апомиксис (бесполосеменное размножение) - особый способ размножения, благодаря которому воспроизводятся точные генетические копии материнского растения.

В итоге исследователями была получена целая серия гибридных растений с разным набором родительских геномов, но выделить кукурузу с бесполосеменным размножением (изначальная цель создания лаборатории) не удалось. Вот на этой ступени исследований Виктор Андреевич Соколов и вступил в заведование лабораторией. Предоставим ему слово:

– На протяжении своей научной карьеры я всегда занимался растениями, причём именно классическими объектами – ячменем, горохом – и вот теперь занимаюсь кукурузой. Апомиксис я исследую почти 30 лет, с 1986 года, хотя далеко не сразу данная проблема стала основной. В аспирантуре моим руководителем была Вера Вениаминовна Хвостова, аспирантка выдающегося советского генетика, академика Николая Петровича Дубинина.

Когда я пришел в науку в 1966 году, в СССР генетика только начала возрождаться и единственным более или мене успешным направлением работы был мутагенез (прим.:искусственное получение изменений в нуклеотидах или их последовательности в ДНК). С точки зрения селекции очень важно наличие изменчивости и большого количества разных форм. Для их получения ученые применяли физические мутагены, облучали растения нейтронами, гамма-излучениями и т.д. Использовались также и химические мутагены, открытые Иосифом Абрамовичем Рапопортом в СССР и Шарлоттой Ауэрбахв Англии. Одно время им даже хотели присудить Нобелевскую премию за это достижение. Так вот, на четвертом курсе университета у нас был большой цитогенетический практикум, который вела как раз В.В. Хвостова, досконально знавшая хромосомы дрозофилы.

У неё была очень занятная система поощрений: Вера Вениаминовна приносила конфеты (обычно московские «Кара-Кумы») и всем, кто первым обнаруживалхромосомные аномалии на препаратах, выдавала по одной за каждый результат. Помню, что у меня всегда было очень много конфет, я их потом нашим девочкам дарил.

Изначально я хотел идти в молекулярную генетику, активно ей интересовался, много чего читал – тогда после падения Т.Д. Лысенко начали переводить научные труды и монографии по генетике – и планировал пойти к Дмитрию Георгиевичу Кнорре в институт биоорганической химии. С ним я познакомился на третьем году обучения, когда он читал курс физической химии. Между нами существовала даже предварительная договоренность, но Вера Вениаминовна убедила меня в том, что я прирожденный цитогенетик, представитель «вымирающего племени» мужчин-ученых. Она вела очень активную агитацию, так что устоять не удалось. В итоге я попал к ней в качестве дипломника, потом в аспирантуру, и занялся изучением цитогенетического эффекта некоторых химических мутагенов на ячмене.

Ячмень очень удобен для изучения: он диплоидный самоопылитель, у него простой хромосомный набор, хорошие по замеру и морфологии хромосомы. Было известно, что некоторые мутагены могут избирательно модифицировать отдельные нуклеотиды в ДНК. У нас возникла следующая идея: если подействовать таким агентом в определенное время  удвоения ДНК, то мы можем вызвать изменение определенных генов. Этот процесс получил название направленный мутагенез. Им занимались не только мы, но и многие зарубежные лаборатории, причем как на растениях, так и на микроорганизмах (особенно на промышленных продуцентах антибиотиков). Именно таким образом получены высокопродуктивные штаммы. С задачей я полностью справился, В.В. Хвостова была очень довольна, а работа была успешно защищена в качестве кандидатской диссертации.

Вера Вениаминовна была уникальным человеком, она всем помогала, ведь основной состав сотрудников института никогда не слушал генетических курсов в ВУЗах, тем более, никогда не выполняли генетических практикумов, поскольку после сессии ВАСХНиЛ 1948 года все кафедры генетики в СССР были закрыты. Проведя всю жизнь, если можно так выразиться, в хорошем обществе внутри Садового кольца, она очень плохо понимала внутривидовую борьбу. Как-то она имела неосторожность в присутствии большого количества людей меня похвалить и сказать, что из меня получится хороший заведующий лабораторией, поскольку я быстро ориентируюсь в проблеме и формулирую идеи. Публика на сей счет имела свое мнение, и в итоге, вследствие различных дрязг и сплетен, мне пришлось уйти в другую лабораторию. О доносах на меня Вере Вениаминовне я узнал лет через 10, уже после ее смерти, от ближайшей помощницы В.В. Хвостовой по хозяйственным делам лаборатории.

В новой лаборатории я начал заниматься гетерозисом, явлением, которое до сих пор ученые не очень понимают. Суть его состоит в следующем: гибриды первого поколения F1, полученные от двух чистых линий, оказываются почему-то очень продуктивными, но причину этого феномена никто назвать и сейчас не может.

Наша рабочая гипотеза была такова: если растения, живя на поле по соседству с другими растениями, т.е. в точно таких же условиях, набирают большую массу, дают больший урожай при одинаковом времени вегетации, то, следовательно, у них в единицу времени происходит большее количество биохимических превращений. А для того, чтобы реализовать такой тип развития, нужно обеспечить его энергией.  Тогда мы решили исследовать ферменты, которые обеспечивают энергообмен. Выяснилось, что у гибридов их активность значительно выше, чем у родительских форм или негетерозисных гибридов. Однако с точки зрения генетики неясно, является ли это причиной или следствием другого, более корового явления.

Спустя какое-то время я познакомился с работами Владимира Александровича Струнникова, который изучал гетерозис на тутовом шелкопряде. В соответствии с его оригинальной концепцией, мутация, угнетающая рост, вызывает некие явления в геноме (тогда еще не было широко признано понятие «геномный шок»), которые приводят к формированию компенсационного комплекса генов (ККГ). Задача комплекса – погасить негативные эффекты мутации, поэтому когда мы при гибридизации в связи с получением F1 закрываем действие негативной мутации нормальным геном, то этот комплекс приводит к необычному быстрому росту и формированию большого урожая.

Позднее данную гипотезу мы проверили и подтвердили на мутантах гороха с низким содержанием хлорофиллов. Более того, с моей сотрудницей Татьяной Константиновной Таракановой мы показали, что в ответ на одну из таких мутаций гены, компенсирующие ее негативный эффект, формируются в 5 и 7 хромосомах гороха.

В 1986 году в связи с почтенным возрастом Д.Ф. Петрова был объявлен конкурс на замещение должности в Институте систематики и экологии животных, и я прошел на заведование лабораторией цитологии и апомиксиса растений. Некоторое время продолжал исследования по гетерозису, но одновременно начал активно вникать в новую для меня тематику. Тут мне хорошо помог Борис Федорович Юдин, прекрасный специалист и очень активный научный сотрудник.

После развала СССР, естественно, начались определенные и, впрочем, закономерные проблемы, так что в 1993 году мы небольшим коллективом в 10 человек перевелись в Институт цитологии и генетики. Я искал возможность продолжить работу и обратился за помощью к Иву Савидану, французу, работавшему в международном Институте кукурузы и пшеницы в Мексике. Он передал письмо с моей просьбой в Министерство сельского хозяйства США, где я получил правительственный грант на 3 года, потом еще от частного фонда на 2. В результате работы с коллегами из США мы получилипатент на «апомиктичную кукурузу» и в целом добились очень хороших результатов. Кроме того, стало ясно, почему группе Д.Ф. Петрова не удалось получить кукурузу с бесполосеменным размножением. Во-первых, признак апомиксиса очень сложный и контролируется большим числом главных генов и так называемых минорных. Во-вторых, для его экспрессии необходимо как минимум 9 определенных хромосом от дикого родителя, т.е. гамаграсса. В-третьих, апомиксис проявляется только на полиплоидном уровне.

Американцы к кукурузе относятся очень серьёзно, поэтому и работа велась на высочайшем уровне. Кукуруза является ведущей агрокультурой, на которой в прямом и переносном смысле держится цивилизация США. Именно она позволяет производить огромное количество мяса птицы и свинины по доступным всем ценам. Ученых, занимающихся этим объектом в Америке, очень много, они даже объединены в ассоциацию генетиков кукурузы.

Кроме того, на кукурузе были открыты мобильные генетические элементы, за что Барбара Мак-Клинток заслуженно получила Нобелевскую премию. Существуетцентральный генетический банк кукурузы с бесценной коллекцией линий. Все образцы можно выписать по каталогу и получить для работы в течение 5 дней.

Я часто говорю коллегам и своим сотрудникам, что кукурузу бог создал специально, чтобы генетики не зазнавались. У нее очень многое не так, как у других, классических объектов генетики растений. Тут можно снова вернуться к работам Б. Мак-Клинток. Когда она предположила, что нестабильность генома кукурузы связана с перемещением неких участков хромосом по геному, то многие классики, в том числе наш выдающийся генетикНиколай Владимирович Тимофеев-Ресовский, стали говорить, будто у Барбары «гены забегали». Конечно, подобное суждение можно смело назвать крамольным, подумать только, допустить перемещениегенов с места на место. На самом деле, это одновременно и кризис, и качественный скачок в понимании природы.

От редакции: Сейчас в лаборатории цитологии и апомиксиса растений занимаются получением принципиально новых гибридов кукурузы и гамаграсса. Уже проведена последовательная гибридизация линий кукурузы, используемых для получения гетерозисных гибридов F1, и объединены их геномы с геномом дикого сородича, несущего гены апомиксиса. Полученный таким образом апомиктичный гибрид по многим агрономическим параметрам превосходит своих «родителей»: больший урожай зеленой массы (до 100 тонн с гектара, в то время как у кукурузы данный показатель не превышает 35), высокое содержание  перевариваемого протеина, незаменимых аминокислот и важнейших микроэлементов. Кроме того, этот гибрид жаростоек и засухоустойчив, он переносит легкое переувлажнение и толерантен к засолению почвы, что делает его практически несокрушимым по сравнению с другими культурами. В перспективе, как отмечает В.А. Соколов, новое растение произведет настоящую революцию на мировом агропромышленном рынке.