Международная группа ученых впервые собрала высокоточный геном дикого американского сильфиума. Рассказываем, как скрещивание с помощью ИИ и метод Trio-binning помогут превратить трехметровый многолетний сорняк в сверхустойчивую масличную культуру, способную пить воду с глубины 4 метров, и когда ожидается первый экспериментальный посев.
Почти вся еда человечества держится на однолетних культурах. Подсолнечник, рис, пшеница — их ежегодный посев обходится дорогом, причем не только для фермеров. Вспашка разрушает почву и приводит к потери плодородного слоя. В условиях изменения климата однолетним культурам угрожает засуха. Поэтому многие исследователи работают над созданием многолетних альтернатив. Уже получены многолетняя пшеница и рис, а что с подсолнечником? Ему на замену предлагается сильфиум интегральный (Silphium integrifolium) — трехметровый гигант из североамериканских прерий. Но до лета 2026 года приручить его не удавалось.
Сильфиум интегральный называют масличной культурой будущего. Его семена по вкусу и качеству масла идентичны традиционному масличному подсолнечнику, но в отличие от него сильфиум многолетний. Кроме того, семена содержат сквален — ценное вещество для косметической и медицинской промышленности.
Внешне сильфиум похож на помесь подсолнечника и гигантской дикой ромашки. Его главная суперсила скрыта под землей. Стержневой корень сильфиума уходит вглубь почвы на 3–4,5 метра. Когда верхний слой земли превращается в сухую корку, этот «живой насос» продолжает качать воду из глубинных водоносных горизонтов.
Кроме того, это «растение-компас»: его листья автоматически разворачиваются ребром к полуденному солнцу (с севера на юг), чтобы избежать перегрева и лишнего испарения влаги.
Но у дикороса было три огромных минуса, из-за которых (после окончательного одомашнивания) комбайны не могли выйти на его уборку. Это дикое осыпание и асинхронность, когда на одном кусте часть семян уже осыпалась, часть созрела, а часть еще цветет. Также сильфиум отличается сильной ветвистостью, что забивало бы жатки уборочных машин.
В июльском номере Nature Communications международный консорциум генетиков (включая Институт Вейцмана и Институт Макса Планка) опубликовал результаты нового исследования по сильфиуму.
Ученые применили технологию высокоточного фазирования генома (Trio-binning). Генетический код сильфиума невероятно сложен и запутан из-за постоянного межвидового скрещивания в дикой природе. Обычные секвенаторы видели в нем «кашу». Новая технология, управляемая искусственным интеллектом, позволила разбить отцовские и материнские хромосомы диких гибридов на чистые, изолированные гаплотипы.
Ученые локализовали 81 климатический локус — участки ДНК, которые отвечают за выживание в экстремальных условиях. А главное, ИИ помог вычислить конкретные гены, отвечающие за «дикий» характер растения.
Имея на руках точную генетическую карту, исследователи применили технологию редактирования прайминга (Prime Editing). В отличие от классического ГМО, куда внедряются чужеродные гены (например, бактерий), эта технология работает как текстовый редактор: ученые просто исправили «опечатки» в собственной ДНК сильфиума.
Что было сделано:
Ген осыпания семян — заблокирован. Теперь семена крепко держатся в корзинке до прихода комбайна.Ген контроля фотопериода — изменен. Растение синхронизировалось: все корзинки созревают одновременно.Ген ветвления — скорректирован. Куст стал компактным, прямостоячим, идеально подходящим под стандартные сельскохозяйственные жатки.При этом все 81 ген супер-устойчивости к засухе и вредителям остались нетронутыми. Ученые получили одомашненную версию сильфиума (de novo domestication) всего за несколько циклов, вместо многих лет традиционной селекции.
Переход на одомашненный сильфиум сулит большие выгоды. Засеяв поле один раз, фермер забывает о расходах на ежегодную закупку семян, весеннюю вспашку и дизельное топливо на 10 лет вперед. Мощные многолетние корни сильфиума удерживают почву, полностью останавливая эрозию. Поля превращаются в гигантские резервуары, удерживающие углерод из атмосферы. Дикий иммунитет сильфиума защищает его от большинства болезней, а глубокие корни избавляют от необходимости заливать поле азотными удобрениями.
Пока исследование носит статус академического прорыва, но селекционные компании в США и ЕС уже выкупили лицензии на использование полученных гаплотипных карт.
Учитывая, что отредактированные методом Prime Editing растения во многих странах законодательно выводятся из-под жестких ограничений ГМО, первые коммерческие поля неубиваемого многолетнего «подсолнечника будущего» могут появиться на засушливых территориях довольно скоро.
Первая экспериментальная высадка ожидается в США в 2029–2030 годах. Наступает эра, когда человеку больше не нужно менять природу под свои нужды — мы научились брать у природы лучшее и доводить это до идеала.