Классическая селекция растений всегда напоминала затяжную партию в шахматы. Если перед учеными стояла задача создать «супер-культуру», сочетающую в себе признаки четырех разных родительских сортов — например, засухоустойчивость первого, урожайность второго, сильный иммунитет третьего и питательную ценность четвертого — процесс превращался в многолетнюю рутину.
Традиционно селекционеры были вынуждены действовать поэтапно: сначала скрещивать сорт А с сортом Б, получая промежуточный гибрид АБ, затем параллельно скрещивать сорт В с сортом Г для получения гибрида ВГ. Лишь после этого промежуточные гибриды скрещивались между собой для выведения финального сложного гибрида. Этот многоступенчатый процесс растягивался на десятилетия, а в ходе бесконечных скрещиваний нужные целевые гены часто «вымывались», мутировали или комбинировались некорректно.
Однако в исследовании, опубликованном в научном журнале New Phytologist, совместная группа исследователей из Токийского столичного университета и японской корпорации NTT показывает, как она успешно разработала и внедрила технологию одновременной гибридизации сразу четырех сортов риса в один шаг.
Ботаническое ЭКО: микрохирургия в пробирке
Вместо того чтобы полагаться на капризы природы и классическое опыление в поле, японские биотехнологи перенесли процесс размножения в лабораторию, применив адаптированный метод искусственного экстракорпорального оплодотворения (in vitro fertilization, IVF).
Технологический процесс выглядит следующим образом:
- Изоляция клеток: ученые извлекли изолированные половые клетки (мужские и женские гаметы) у четырех коммерческих сортов риса.
- Электрослияние гамет: вместо попарного слияния биологи применили метод микроскопического клеточного электрослияния (cell-fusion) в специальной жидкой матрице. Под воздействием контролируемых электрических импульсов мембраны нескольких гамет открывались, позволяя генетическому материалу всех четырех родителей объединиться.
- Формирование автотетраплоида: из полученной клетки-гибрида ученые вырастили полноценное растение. Полученный организм оказался автотетраплоидным — он несет в себе удвоенный набор хромосом, в котором ДНК всех четырех предков распределена в равных и стабильных пропорциях.
Ключевая научная победа японских исследователей лежит в плоскости жизнеспособности полученного гибрида. Физиологам растений давно известно, что искусственно созданные полиплоиды (растения с увеличенным числом хромосом) в подавляющем большинстве случаев оказываются бесплодными. Их мейоз (процесс деления клеток при формировании семян) нарушается, из-за чего колосья остаются пустыми.
Разработанный Токийским университетом метод контроля над слиянием гамет позволил обойти это биологическое ограничение. Полученный «четырехмерный» рис оказался не просто жизнеспособным, он дал полноценное, фертильное потомство.
Более того, фенотипический анализ показал выдающиеся результаты: средний вес полученных зерен вырос в 1,7 раза по сравнению с усредненными показателями четырех исходных сортов-родителей. Это наглядный пример проявления сверхмощного кумулятивного эффекта гибридной силы (гетерозиса).
Участие в проекте корпорации NTT — крупнейшего телекоммуникационного гиганта Азии — на первый взгляд кажется неожиданным. Однако IT-гигант активно развивает биоинженерное крыло, предоставляя свои суперкомпьютерные мощности и алгоритмы искусственного интеллекта для точного математического моделирования и оценки фенотипов получаемых гибридов.
Заявления разработчиков амбициозны. Данная технология рассматривается не просто как локальный эксперимент с рисом, а как универсальный инструмент для преодоления глобального продовольственного кризиса.
Оперативное объединение геномов позволит в кратчайшие сроки собирать «дизайнерские» сельскохозяйственные культуры, которые будут обладать кратно повышенной устойчивостью к засухам и экстремальным температурам; потребуют значительно меньше азотных удобрений и пестицидов за счет врожденного иммунитета; смогут эффективнее поглощать и утилизировать углекислый газ из атмосферы, снижая углеродный след агросектора.
Руководство NTT уже официально подтвердило планы по масштабированию метода растительного ЭКО на две другие важнейшие зерновые культуры человечества — пшеницу и кукурузу.
