Ботаника будущего

Высаживать энергетические плантации, использовать деревья в качестве биореакторов, озеленять улицы неломкими тополями, безопасными для аллергиков, делать генетические экспертизы косметических средств и других продуктов с содержанием определенных краснокнижных видов растений. Это лишь часть практических применений, которые станут возможными благодаря наработкам сотрудников Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН. При поддержке грантов Российского научного фонда они сейчас получили трансгенный тополь и провели генетические исследования третичных реликтов Хамар-Дабана. Подробнее об открытиях иркутских ученых – в нашем материале.

ОТ ПРОБИРКИ ДО
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПЛАНТАЦИЙ

Комнату со стеллажами, залитыми светом, где в прозрачных емкостях зеленеют ростки, в институте называют по-разному: ростовой, климатической, световой. Но суть одна. В течение суток здесь поддерживаются постоянная температура и влажность, освещение работает в четко заданном режиме. Растения всегда находятся в одинаковых условиях, чтобы можно было ставить эксперименты. Об одном из них рассказывает кандидат биологических наук, старший научный сотрудник СИФИБР, доцент ИГУ Василий Павличенко:

– Проект по созданию быстрорастущего тополя начался десять лет назад и на разных стадиях разработки финансировался разными организациями. Сейчас грант выдал Российский научный фонд. Изначально была идея получить тополь, который растет в несколько раз быстрее, чтобы сделать из него энергетические плантации. Такие есть, к примеру, в Китае, где из деревьев получают топливные брикеты.

Василий показывает две пробирки с тополями, высадили их в один день. Только один – обычный, а рой – генно-модифицированный организм. У него изменен биосинтез гормонов роста, поэтому этот «акселерат» примерно в три раза больше своего собрата. Ученый берет с полки третью емкость, только деревце в ней совсем маленькое, тоже трансгенное, но в этом случае генетики рост тополька замедлили.

– Это карликовая форма тополя, ему около трех месяцев, почти не растет. Я его хочу довести «до горшка» и посмотреть, если он будет такой маленький, то в будущем его можно будет использовать в ландшафтном дизайне при изготовлении живых изгородей, – продолжает Василий Павличенко. – Трансгенные тополя могут применяться и в других областях. Они хорошо накапливают в своих тканях тяжелые металлы, поэтому их высаживают на загрязненных почвах. Потом тополя выкорчевывают или срезают, увозят на переработку, где можно изымать эти металлы вместе с биологической тканью, с древесиной. Тополя можно сжечь, получить энергию, а золу отдать на переработку, где из нее извлекут тяжелые металлы.

ПОЛИГОН ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ
ТРАНСГЕННЫХ РАСТЕНИЙ

Такие тополя в перспективе можно применять для рекультивации промышленных земель или для проведения ветрозащитных мероприятий, когда нужно быстро возвести стену леса. За счет быстрого роста и большой массы листьев эти деревья можно использовать в качестве биореакторов. Если их трансформировать и заставить синтезировать какое-нибудь ценное полезное вещество, которое нужно для медицины, тополя будут его накапливать в листьях, из них это вещество потом изымается и используется для производства лекарств или в других отраслях промышленности. Но все это – дело будущего. Сейчас выращивать ГМО в открытом грунте запрещено российским законодательством.

– Мы не знаем, как трансгенные тополя, которые сейчас есть в пробирках и горшках, поведут себя в открытом грунте. Их необходимо испытать в полевых условиях. Средства в проект вложены, мы получали гранты, стипендии для молодых ученых президента РФ и мэра Иркутска, благодарность губернатора Иркутской области. Проект также финансировался ассоциацией «Глобальная энергия» в рамках премии «Энергия молодости». Закон разрешает в научных целях высаживать ГМО в открытом грунте, но для этого нужно провести целый ряд мероприятий, подготовить особым образом полигон для испытания трансгенных растений, где рядом ничего не должно расти, необходимо получить разрешительные документы. Это долго, требует вложений, юридического сопровождения. В этом вопросе нам необходима помощь властей, – подчеркнул Василий Павличенко.

Фактически ГМО – это просто ускоренная селекция. Чтобы получить, допустим, помидор с определенными свойствами – вкусом, запахом, скоростью роста и устойчивостью к заболеваниям, теперь прибегают не к длительной селекции, а к генетической модификации.

– Очень популярно в различные растения встраивать соевый белок, увеличивая таким образом их пищевую ценность. Однако у людей бывает аллергия на сою. Поэтому на упаковках нужно обязательно писать, что продукт содержит не просто ГМО, а соевый белок, – уточняет ученый.

ГМО – ЗА И ПРОТИВ

В этой теме не обойтись без обсуждения в целом проблематики ГМО. Людей, далеких от науки, само понятие «генно-модифицированный» пугает. Они воспринимают это как что-то опасное и вредное. А как на самом деле?

– Все очень относительно, – отвечает эксперт. – У генной инженерии есть несомненные преимущества. Часть лекарственных препаратов, изготовленных в промышленных масштабах, получают с помощью генетически модифицированных микроорганизмов. Тот же инсулин. Или вакцина от ковида, которая тоже была создана и работает на принципах генной инженерии.

На наших рынках и в магазинах уже давно продаются продукты, содержащие компоненты, которые получены генно-инженерным путем. Это открытая информация, и ее легко можно найти в интернете по запросу «Список продающихся в России продуктов, содержащих ГМО».

По утверждению ученых, продукты с содержанием ГМ-ингредиентов даже в отличие от обычных проходят доскональную проверку перед тем, как попасть на прилавок. В Россию их ввоз разрешен, но выращивание сейчас под запретом. За рубежом иначе.

В США есть предприятия, которые специализируются на ГМО, и они предлагают фермерам не просто суперсою или суперкукурузу. Эти культуры там дают урожай только один раз. Сельхозпроизводители вынуждены все время покупать такие «одноразовые» семена у этих фирм. Но с другой стороны, при таких условиях реализации ГМО снижаются экологические риски.

Например, некоторые трансгенные растения имеют устойчивость к гербицидам. Если такое культивированное растение скрестится с сорняком за забором, ген устойчивости уйдет в него, и потом с этим сорняком справиться будет крайне сложно. В том числе поэтому к ГМО у нас относятся с большой осторожностью. Правда, как уже говорилось, опытные полигоны с соблюдением всех мер предосторожности создать можно. В научном мире считают, что без генной инженерии в том же растениеводстве не обойтись – человечество нужно кормить, но процессы должны быть под строгим контролем.

ВЫБОР ДЕРЕВЬЕВ ДЛЯ ГОРОДА

Меж тем в СИФИБРе занимаются не только опытами с генетической модификацией растений.

– Мы изучаем и вопрос озеленения городских улиц. Речь идет не о трансгенных, а об обычных растениях. Мы исследуем обычные и гибридные тополя, отбираем их по форме кроны, цвету, полу, для того чтобы они хорошо смотрелись в городе, в том числе не пушились и не ломались при порывах ветра, – говорит Василий Павличенко.

Например, сибирские тополя, которыми преимущественно засажены наши улицы с прошлого века, тоже гибриды. Они прекрасно очищают воздух и почву от загрязнений, но отличаются ломкостью. К тому же женские особи дают пух, что вредит аллергикам. Если правильно подойти к озеленению и целенаправленно размножать только мужские растения, то проблему пуха можно решить.

Сейчас в Иркутске сибирские тополя стали понемногу заменять на другие деревья или те же тополя, но других видов, к примеру, белые. Там, правда, тоже есть нюансы. Озеленители путают и рядом с пирамидальными формами могут высадить раскидистые. К тому же деревья лучше изымать не разом, чтобы улицы не оголились одномоментно, а постепенно. Кстати, при устройстве клумб в перспективе можно использовать не только привычные городские цветы…

ЦВЕТЫ ИЗ ДРЕВНЕЙШИХ ЛЕСОВ

Второй проект, поддержанный Российским научным фондом, касается изучения реликтовых видов растений. В апреле биологи побывали в экспедиции на Хамар-Дабане и Приморском хребте озера Байкал, где искали реликтовые весенние эфемероиды. Это многолетники с очень коротким периодом вегетации – быстро зацвели, дали семена и уснули до следующей весны. Несмотря на то что в этом году весна запоздала, реликты стали цвести в положенное время, как только сошел снег. Одними из первых порадовали глаз весенник сибирский и ветреница алтайская. К катаклизмам им не привыкать как минимум последние 5 млн лет.

В третичный период истории Земли в наших тогда теплых краях росли широколиственные леса. Но началось похолодание, с севера пришли ледники. На месте современной Иркутской области и Бурятии оледенения захватывали только вершины гор, и ледники спускались по долинам рек. Теплолюбивым и влаголюбивым широколиственным деревьям было сложно выжить в таких условиях, но в некоторых местах, укрытиях – рефугиумах – сохранились отдельные виды травянистых растений. Они называются третичными реликтами. В их числе весенник и ветреница.

– На территории Иркутской области основным рефугиумом стал хребет Хамар-Дабан. Это юго-восточное побережье озера Байкал на промежутке от Слюдянки до устья Селенги. Там задерживаются влажные воздушные массы, что способствует существованию реликтов. Эти виды там сохранились и существуют довольно хорошо. Но за пределы этой зоны, в более сухой климат, выйти не могут, – рассказывает кандидат биологических наук, старший научный сотрудник СИФИБРа, доцент ИГУ, руководитель гранта РНФ Марина Протопопова.

ОЗЕЛЕНЕНИЕ РЕЛИКТАМИ

Собранные в экспедиции образцы растений затем под ее руководством изучаются в молекулярно-биологической лаборатории института, где идет работа с нуклеиновыми кислотами – ДНК, РНК и белками. Здесь находятся различные центрифуги, инкубаторы, приборы для измельчения биологического материала и другое оборудование. Здесь же готовятся питательные среды для выращивания растений и культивирования бактерий.

– Как у людей определяют отцовство, так и мы устанавливаем родство популяций наших реликтов с теми, что растут в других местах. В частности, мы предположили, как весенник попал на нашу территорию с юга Хакасии. А туда из Восточной Азии через Монгольское плато. Мы установили несоответствия в таксономическом статусе некоторых видов. Допустим, раньше могли выделять несколько видов растений, а наш анализ ДНК показал, что это один вид, просто имеет внешнюю изменчивость, как и у нас, людей. Бывает и наоборот: считали растения одним видом, а оказалось, что они сильно отличаются, – объясняет Марина Протопопова.

У этих исследований есть прикладное значение. Некоторые реликты Прибайкалья при желании можно размножить и высаживать на городских клумбах. В европейской части, например, используют в ландшафтном дизайне вальдштейнию тройчатую, которая с весны до осени покрывает землю красивым ковром. Другие реликты могут составить ей компанию и разнообразить зеленое убранство городов.

– Суть в том, чтобы, используя генетические методы, совместить хозяйственное значение реликтов для нашего региона и их сохранение. Большинство реликтов – краснокнижные. В естественной среде обитания они сейчас чувствуют себя нормально. Но это будет лишь до той поры, пока там существует сложившаяся экосистема, без вырубки лесов. Если мы истребим среду, они просто погибнут, – констатирует ученый.

Фундаментальные исследования растений могут помочь и в другой практической сфере. Некоторые виды растений занесены в Красные книги только части регионов, и собирать там их запрещено. Но на других территориях, где этих растений больше, это разрешается, и растения используются в изготовлении косметических средств, медицинских препаратов. А для того чтобы при проведении экспертизы доказать место произрастания вида или вообще определить его наличие в готовом продукте, помогут как раз наработки ученых СИФИБРа.

Это так называемые методы молекулярной идентификации или ДНК-штрихкодирование. Для этого не нужно обладать специальными знаниями. Будет достаточно кусочка ткани того или иного вида, чтобы определить, какой это организм.

В будущем можно даже создать портативный прибор, который будет считывать и обрабатывать информацию о ДНК и выдавать экспресс-результат о видовой принадлежности исследуемого материала. Сейчас ученые проводят эти анализы, но пока процедуры не совмещены в рамках одного прибора, а процесс идентификации может растягиваться на несколько дней.