Глава
6
Накормить мир
Осенью 2017 г. я оказалась в полутемном вестибюле Центра растениеводства имени Дональда Данфорта рядом с Сент-Луисом. Сквозь маленькое окно я смотрела на “Дом роста” площадью около 70 м2. То, что я видела внутри, напоминало мультипликационный фильм: под ярким светом, который заставлял листья сиять неестественным оттенком ярко-зеленого, примерно тысяча маленьких и средних растений исполняла тщательно отрежиссированный танец.
На самом деле они двигались вдоль конвейерных лент общей длиной 180 м. Появляясь из центральной зоны, растения одно за другим залихватски переходили на очередной конвейер, перепрыгивали на следующий и время от времени останавливались на различных станциях, делая полный круг по всему помещению. У каждой станции была своя особая функция. На одной каждому растению доставалась доза воды, необходимая именно ему. На другой то же самое происходило с удобрениями. На третьей записывался вес. Еще на одной под разными углами делались цифровые фотографии, регистрирующие такие параметры, как высота, обхват и количество листьев, а также размер и рисунок ветвей. На следующей станции фотографии делались в инфракрасном свете, чтобы записать содержание воды. Этот танец продолжался, пока растения не возвращались на свои места на центральном участке, а на следующий день все начиналось заново. Свет, температура и влажность в комнате устанавливали точно и контролировали очень тщательно. Ученые, проводившие исследования в этом помещении, могли поднимать температуру до критических величин, проводя стресс-тесты, и манипулировать со спектром света и его интенсивностью, чтобы проверить способность к фотосинтезу, приспособляемость к тени и т. д.
Несколько минут я наблюдала за этим зрелищем, завороженная его необычностью. Но это было не просто шоу, разыгранное в мою честь. Танец растений продолжался неделями, и весь процесс был тщательно разработан отделением Центра Данфорда под названием Фенотипический комплекс фонда Белуэттера. За каждым растением здесь тщательно наблюдали, используя идентификацию по сигналам персональной карточки и монитор, считывающий штрихкоды. Таким образом, комплекс без всякого вмешательства людей мог отследить, чтобы все изображения и подробные измерения тщательно фиксировались, а индивидуальное выделение удобрений и воды правильно применялось, причем часто в течение всего жизненного цикла растения. Эта работа соединяет биологию и инженерию, чтобы помочь нам понять особым, новым образом, как генетическое наследство растения в сочетании с окружающей его средой со временем создает все особенности и качества, которые вместе называются фенотипом.
Попытка впечатляющая: ученые из Данфорта собирают генетическую и фенотипическую информацию о своих растениях в форме, которая поддается многофакторному компьютерному анализу. В сущности, это означает, что все генетические и фенотипические особенности переводятся в цифры и с помощью этих цифр создается карта качеств растений. Как генотип отвечает за весь набор генетической информации организма, фенотип содержит в себе всю фенотипическую информацию о нем, его физические признаки.
Количество информации, которую Дом собирает о каждом растении, просто поражает. Десятки тысяч генов влияют на развитие и функционирование растения, а множество вероятных комбинаций незначительных вариаций генов создает практически бесконечную последовательность возможных фенотипов. Никогда ранее ученым и инженерам не удавалось получить информацию о росте растений в таком количестве и качестве. Благодаря работе нового поколения ботаников в Данфорте и других научных центрах мы получаем более полную, чем когда-либо, картину всех тех сложных путей, которые с течением времени ведут к проявлению генов растения. Учитывая наступление эпохи больших данных и обладающего огромными возможностями компьютерного анализа, мы быстро учимся тому, как изучать фенотипы, манипулировать ими и записывать их способами, позволяющими нам создать варианты растений, которые значительно повысят урожаи сельскохозяйственных культур.
Это слияние биологии и инженерного мастерства не похоже на примеры, которые мы рассматривали в предыдущих главах. Там мы видели, как ученые и инженеры приспосабливают биологические организмы и механизмы, чтобы решить самые разнообразные технические задачи. Сейчас мы увидим, как сбор информации и инструменты вычислительной инженерии могут помочь проникнуть в суть сложных биологических процессов. Для выведения новых растений и сельскохозяйственных культур эти инструменты обеспечивают ранее немыслимый уровень понимания физических свойств растений и того, как эти качества развиваются и меняются с течением времени. Новая информация обещает нам возможность выбирать растения с оптимальными характеристиками гораздо более точно и эффективно по сравнению с тем, как мы это делаем сейчас. Такое слияние является настолько же революционным, как и все остальные, рассмотренные ранее: оно открывает новые подходы к сельскому хозяйству и производству продуктов питания, которые помогут накормить растущее и все более процветающее население нашей планеты, ведь к 2050 г. оно должно достигнуть 9,5 млрд человек или более.
■ ■ ■
Продуктов питания будет требоваться очень много. Чтобы отвечать этим запросам, нам нужно увеличить сегодняшнее производство сельскохозяйственных культур почти в два раза. Потребует ли это удвоения количества обрабатываемых земель? Или, возможно, вместо этого мы сможем повысить производительность обрабатываемой сегодня земли с помощью технологических нововведений? Проблема действительно сложная, но нам уже приходилось справляться с ней в прошлом. За последние сто лет мы на самом деле увеличили количество производимого зерна не в два, а в четыре раза с помощью более грамотной организации полевых работ: ротации севооборота, возросшей доступности естественных и синтетических удобрений, улучшения генома зерновых благодаря селекции и генной инженерии и возрастающей эффективности механизации сельского хозяйства.
Мы работаем над увеличением производства продуктов питания уже очень долгое время. Благодаря археологическим раскопкам существуют доказательства того, что люди начали выводить пищевые виды зерновых более 10 000 лет назад в Плодородном полумесяце. Вероятно, наши далекие предки собирали и сажали зерна дикорастущих растений; затем они повышали всхожесть, тщательно ухаживая за ними, отбирая и разводя самые подходящие варианты. Можно сказать, что они были первыми генными инженерами, несмотря на то что ничего не знали о генах.
Генетика – современная наука. Слово “ген” восходит всего лишь к 1905 г., когда датский ботаник Вильгельм Иогансен использовал его, чтобы описать отдельную наследуемую единицу, которая участвует в определении видимых физических особенностей. Иогансен создал слово из термина “панген”, который 20 годами ранее ввел еще один датский ботаник – Хуго де Фриз. Но существование такой наследуемой единицы на самом деле еще раньше предположил августинец Грегор Мендель, человек, которого обычно считают основоположником современной генетики.
Между 1856 и 1863 гг., работая в безвестности в августинском аббатстве Св. Фомы в Брно (сейчас – города в Чехии), Мендель скрестил тысячи растений гороха и обнаружил, что их отличительные черты от поколения к поколению распределяются в соответствии с рядом предсказуемых математических правил. Как предположил ученый, эти правила можно объяснить существованием отдельных наследуемых единиц, которые он назвал “факторами” и которые управляют наследованием физических характеристик растения. Правила, которые разгадал Мендель, сегодня известны как законы наследования Менделя. Именно они легли в основу современной генетики.
Мендель опубликовал свои удивительные выводы в 1865 г. Ключевым в них было то, что определенная физическая черта растения, например цвет зерен, определяется экспрессией пары генов (как мы их называем сегодня), по одному от каждого из родителей. Эти два гена могут по-разному проявиться в выражении черты: один может быть доминантным, а другой – рецессивным. В случае с генами, отвечающими за цвет зерен гороха, желтый является доминантным над зеленым. Если горох наследует два гена желтого цвета зерен (по одному от каждого родителя), то у него будут желтые зерна. Если растение наследует два гена зеленого цвета зерен, то зерна будут зелеными. Но если оно наследует один “желтый” ген и один “зеленый”, то у него будут желтые зерна, потому что желтый ген является доминантным.
Когда Мендель описал “факторы”, которые лежат за законами наследования, он и понятия не имел, какую физическую форму они могут принимать. То же самое справедливо и по отношению к Иогансену: впервые использовав термин “ген”, он, как и Мендель, описывал механизм поведения, а не физическую структуру. Настоящая структура ДНК и ее роль в определении качеств организма была открыта почти 50 лет спустя.
Решетка Пенетта – стандартный инструмент для представления генетического скрещивания. Для семян гороха желтый цвет зерен (Y) является доминантным над зеленым (y). Горох с двумя желтыми генами (YY) или с одним желтым и одним зеленым (Yy, гетерозиготные) будет иметь желтые зерна. Когда два растения-родителя с генетическим набором Yy скрещиваются, растения-потомки наследуют один или два доминантных гена и желтые гены (Y) дадут желтые зерна. Это означает, что наследник, получивший два Y гена (YY, гомозиготные), будет иметь желтые зерна, и такие же зерна будут у тех растений, которые унаследовали по одному желтому (Y) и одному зеленому (y) гену (Yy, гетерозиготные). Только зерна растений-потомков, которые унаследуют две копии рецессивного зеленого гена (yy, гомозиготные), будут иметь зеленую окраску
Такой путь научного прогресса вполне обычен, и мы часто встречались с ним на страницах этой книги. Он начинается с интенсивных наблюдений явления, а последующие исследования вели к открытию физического компонента, вызывающего само явление. Майкл Фарадей описал электромагнитные силы в середине XIX в., задолго до того, как в 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон как частицу, дающую жизнь этим силам. Подобным же образом кинетика прохождения воды через клеточную мембрану, была подробно описана в первой половине ХХ в., задолго до открытия Питером Агре канального белка, обеспечивающего физические проходы для движения молекул воды через мембраны.
При жизни ученого работу Менделя плохо поняли и практически забыли, но в начале ХХ в. несколько исследователей переоткрыли и развили ее. Так, Вильгельм Иогансен начал называть “факторы” Менделя генами. Руководствуясь законами Менделя и уже зарождающейся генетикой, агрономы стали по-новому думать о выращивании растений.
Тем временем исследования других ученых постепенно набирали обороты в своих поисках молекулярной структуры ДНК – охоте, начавшейся в 1869 г., когда швейцарский биолог Фридрих Мишер выделил из ядер клеток крови вещество, которое назвал “нуклеин”. Мишер и не подозревал, что нашел физическую основу наследственности. Многие годы большинство ученых действительно считали, что нуклеин не может нести генетическую информацию, потому что его структура без конца повторяется и однообразна. Богатое разнообразие наблюдаемых фенотипов, как они считали, должно требовать в равной степени разнообразного материала, поэтому идею о том, что нуклеин имеет отношение к наследственности, никто не принимал всерьез.
Охота на вещество, отвечающее за наследственность, продолжалась несколько десятилетий, до 1953 г., когда в одной из самых знаменитых статей, когда-либо опубликованных, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили двойную спираль в качестве модели молекулярной структуры ДНК. Как мы уже видели в главе 2, эта двойная спираль, которую они описали, представляет собой “винтовую лестницу” с параллельными цепями фосфатов и сахаров, связанных между собой перекладинами из пар, где четыре основания всегда соединяются одним и тем же образом (гуанин с цитозином, а аденин с тимином), обеспечивая точное воспроизведение ДНК.
После описания структуры ДНК молекулярная биология действительно выделилась в отдельную область науки. Вскоре биологи смогли определить, что генетическая информация вначале копируется из ДНК в РНК (очень похожую по структуре на одну нить ДНК), а затем передается от РНК к белкам. Белки руководят организацией клеток в ткани и дают толчок развитию жизненно важных свойств тканей и всего организма.
Этот момент стал знаменательным в истории науки и сельского хозяйства. После открытия Уотсона и Крика молекулярные биологи стали его использовать, чтобы получить совершенно новые способы выращивать пищу. К 1983 г. ученые придумали метод введения ДНК в клетки растений, а также вывели генетически измененный вид табака, устойчивый к насекомым-вредителям. Теперь стали возможны еще более разнообразные изменения. Добавление генов к растению могло улучшить его пищевую ценность, понизить потребность в воде или уменьшить восприимчивость к болезням.
В следующие десятилетия генетики и агрономы разработали высокоурожайные сорта кукурузы, пшеницы, риса и других культур. Эти инновации вместе с повышающейся эффективностью удобрений, систем ирригации, методов севооборота и механизации фермерского хозяйства привели к особенно значительному росту производительности сельскохозяйственных культур. К примеру, с 1860-х гг. до конца 1930-х гг. производство кукурузы в США колебалось в районе 760 кг с акра, тогда как сегодня эта цифра устойчиво достигает более 3,8 т с акра. Такой скачок во второй половине ХХ в. позволил дешево, безопасно и надежно обеспечить продуктами миллионы ранее недоедавших людей и животных по всему миру.
Несмотря на устойчивый рост объемов сельскохозяйственного производства, в мире примерно 800 млн людей не хватает продуктов питания, а более 3 млн детей в возрасте до 5 лет каждый год умирают от голода. Ботаники продолжают изучать, как манипуляции с генами могут улучшить урожайность культур, и благодаря их усилиям уже появляются значительные результаты. Если соединить эти результаты с силой гения природы, выражающейся в естественном разнообразии растений, то это обещает еще больший рост производительности в сельском хозяйстве. Норман Борлог, один из самых главных вдохновителей “зеленой революции”, в 2002 г. говорил, что, если мы ставим своей целью ускорить повышение урожая зерновых так, чтобы оно соответствовало ожидаемому росту населения, нам нужны “и традиционная селекция, и биотехнологические методы”.
■ ■ ■
В 1994 г. FDA одобрило для продажи первый генно-модифицированный продукт – помидоры FlavrSavr. Генетики растений сделали этот сорт дозревающим медленнее, чем обычные помидоры, добавив ген, который подавляет тщательно отрегулированную выработку ферментов, разрушающих пектин. С этим геном томаты FlavrSavr могут дольше оставаться на стебле, созревая, и попадают на прилавки магазинов, сохраняя лучший вкус и имея меньше повреждений. FlavrSavr не имел коммерческого успеха, но продемонстрировал, что прямая манипуляция с генами растений может улучшить пищевые культуры и что FDA способно оценить качество таких продуктов и их риски для здоровья.
Сегодня бóльшая часть выращиваемой в США кукурузы, а также хлопка и соевых бобов имеет генетические изменения, которые повышают сопротивляемость культур к насекомым-вредителям и гербицидам. Как недавно сообщила Национальная академия наук, эти модификации позволили добиться множества преимуществ, среди которых снижение количества пестицидов и гербицидов, используемых при выращивании этих модифицированных культур и немодифицированных растений, находящихся в непосредственной близости. Кроме того, в докладе не приводится доказательств неблагоприятного воздействия генетически модифицированных пищевых культур на здоровье в тех случаях, когда они выращивались с использованием самых современных методов.
Молекулярная биология и геномика позволили нам выделить определенные гены растений, кодирующие особые белки, которые, к примеру, могут защитить растения от вредителей и паразитов или обеспечить выносливость к засухе или морозу. Подобным же образом мы определили генные мутации, являющиеся причиной некоторых заболеваний людей, что дало возможность разработать лекарства, позволяющие эффективно лечить и даже в некоторых случаях полностью исцелять. Но по большей части характерные признаки и болезни не являются результатом действия одного гена или одного белка. Напротив, их генетические основы куда более сложны. Анализ этих сложностей требует другого уровня диалога между биологами и инженерами, такого, который совместит самые современные биологические технологии с последними достижениями в области компьютерной обработки информации.
Рассмотрим только один пример – определение последовательности человеческого генома. Эта работа, казавшаяся невероятно трудной всего 30 лет назад, стала возможной благодаря чрезвычайно стремительному прогрессу технологий определения последовательностей оснований ДНК и таким же быстрым достижениям в обработке информации. На основе данных, полученных из проекта “Геном человека”, по всему миру идет работа, направленная на поиск генетических факторов, влияющих на предрасположенность или устойчивость к заболеваниям. Этот вид исследовательской деятельности часто требует сравнения десятков тысяч отдельных геномов. Например, для обнаружения генов, которые могут служить предрасполагающим фактором аутизма или шизофрении, придется рассмотреть геномы более 60 000 человек и обратиться к самым современным достижениям биоинформатики – области вычислительной науки, разработанной совместно с биологами.
Такой же поисковой деятельностью приходится заниматься и для открытия основных генов, кодирующих имеющие практическую значимость свойства растений. Манипулируя отдельными генами, биологи и инженеры добились впечатляющих успехов в создании высокоурожайной пшеницы с низкой потребностью в воде, удобрениях и инсектицидах. Кукуруза и другие сельскохозяйственные культуры, к примеру, были изменены так, что к ним добавили ген, производящий натуральный инсектицид – эндотоксин, являющийся продуктом деятельности обитающей в почве бактерии Bacillus thuringiensis (Bt). Фермеры, ведущие хозяйство только с применением органических удобрений, обычно используют препараты с белком Bt. Если обработать таким раствором сельскохозяйственные культуры, он будет действовать как инсектицид по отношению к некоторым отдельным видам насекомых, наносящим вред урожаю. В то же время препарат не оказывает никаких отрицательных эффектов на других насекомых, людей или животных. Кукуруза и другие культуры были трансформированы для экспрессии гена, отвечающего за выработку эндотоксина, что защищает их от нападений зернового точильщика, злаковых корневых червей и других вредителей. В случае с хлопком и соевыми бобами тоже повсеместно выводят сорта, несущие Bt, что позволяет снизить использование инсектицидов. Последние исследования обнаружили и дополнительные преимущества: по соседству с полями, где растут генно-модифицированные культуры, не содержащие Bt, зерновые требуют меньшего количества инсектицидов, возможно из-за того, что культуры Bt уменьшают местную популяцию насекомых.
Еще одна широко применяемая генная модификация делает растение устойчивым к чрезвычайно эффективному гербициду глифосату. Глифосат, также известный под торговой маркой Roundup, эффективно блокирует у растений (но не у насекомых, птиц, млекопитающих и других животных) выработку аминокислот, необходимых для создания белков. Это приводит к быстрой гибели растений после контакта с гербицидом. К примеру, поле с устойчивой к гербициду кукурузой (кукурузой HТ), может быть обработано глифосатом для того, чтобы избежать роста сорняков, при этом культура никак не пострадает. Такой способ борьбы с сорняками снижает требования к культивации почвы, что важно для уменьшения потери плодородного слоя. Повсюду распространившееся выращивание культур HT понизило уровень использования гербицидов. И хотя по-прежнему высказывается озабоченность по поводу безопасности глифосата, в одном из последних обзоров Национальной академии наук США заявлялось, что при правильном использовании никакого вредного воздействия на организм человека он не оказывает.
Еще одно достижение в сельском хозяйстве состоит в использовании новых методов, повышающих пищевую ценность растений. Добавив к геному риса два гена, повышающих синтез витамина А, ботаники создали сорт, известный как “Золотой рис”, который по пищевой ценности значительно превосходит обычный рис. Это нововведение может спасти множество жизней в развивающихся странах, где недостаток витамина А приводит к смерти более 500 000 детей в год. Несмотря на многочисленные исследования, доказывающие безопасность и преимущества “Золотого риса”, его использование запрещено из-за каких-то непонятных предубеждений против генетически модифицированных продуктов. Эти тревожные опасения высказываются в странах, где мог бы расти рис, даже, говоря прямо, в развитых странах. После множества научных исследований и споров в 2018 г. Австралия и Новая Зеландия одобрили “Золотой рис”, но государства, которые могли бы получить от него наибольшие преимущества, такие как Бангладеш и Филиппины, все еще не приняли эту культуру, важную для спасения человеческих жизней.
Такого рода тревога о безопасности и экономической выгоде от генетически модифицированных культур замедляет их внедрение в широкое использование. В какой-то мере эти опасения имеют под собой основания. Никто, в конце концов, не хочет создавать съедобные растения, которые могут нанести непреднамеренный и необратимый вред. Но исследование Национальной академии наук США от 2016 г. предполагает, что мы буксуем на одном месте и занимаемся регулированием до такой степени, что это само по себе уже причиняет вред. Ученые обнаружили, что генетически измененные зерновые культуры безопасны, если к их культивации подходить ответственно, соблюдая ряд рекомендаций, которые Академия приводит в своем докладе. Это означает, что сегодня многие культуры, важные для спасения человеческих жизней, могут быть внедрены в развивающихся странах. Среди них, к примеру, маниок (кассава), который приносит слишком мало экономической выгоды, чтобы вкладывать в него средства, необходимые для получения официального одобрения.
■ ■ ■
Несмотря на то что в последние годы мы добились больших успехов, изменяя один ген за другим, по-прежнему существует проблема с определением ключевых генов и генных взаимодействий, отвечающих за сложные качества, влияющие на сельскохозяйственную производительность, например на устойчивость к засухе или увеличение размера зерен. К счастью, для того, чтобы провести отбор фенотипов большого количества подвидов растений, у нас все чаще появляются возможности обратиться к различным методам анализа с помощью новых технологий. Именно такой подход используется в Центре Данфорта и других подобных организациях, где самые современные технические новинки в области отображения и обработки информации применяются для записи, анализа и сравнения физических характеристик сотен и даже тысяч растений. Этот процесс, который называют высокопроизводительным фенотипированием, был разработан для лабораторий и теперь перерабатывается для полевых экспериментов, критически важных для сельскохозяйственных зерновых культур.
Генная инженерия и традиционное выращивание растений так, чтобы они обладали желаемыми качествами, остаются чрезвычайно трудным делом. Какими бы полезными и эффективными ни были современные подходы к генетически модифицированным растениям, трудность в определении ключевых генов для сложных качеств ограничивает возможности создания зерновых культур с повышенной урожайностью. Поэтому, чтобы увеличивать ее значительно и быстро, мы недавно обратились к другому методу анализа – использованию современных инженерно-технологических достижений, чтобы изучить сотни и тысячи подвидов растений и найти несколько, имеющих желаемые качества.
В сущности, мы возвращаемся к ранним сельскохозяйственным методам, которые фермеры использовали, чтобы отбирать и разводить подвиды растений с более высокой урожайностью. Но сейчас нам нужны методы, которые могут наблюдать за большим количеством растений-кандидатов и сортировать их, основываясь не только на том, имеют ли они экспрессию отдельных генов, но и на том, демонстрируют ли они со временем полный набор желаемых физических характеристик, то есть свой фенотип.
Трудность задачи чрезвычайно возрастает, если учесть, что специалисты по разведению изучают и дикорастущие виды с многообещающими качествами, такими как устойчивость к нематодам (круглым червям, поражающим сельскохозяйственные культуры). К примеру, дикие соевые бобы из Китая могут способствовать такой устойчивости при скрещивании с высокоурожайным сортом, повсеместно растущим на территории США. Комбинация этих двух генотипов, где сочетается примерно 40 000 различных генов, создает ошеломляющий набор фенотипов, и только немногие из них имеют оптимальные качества. Автоматизированное фенотипирование в сочетании с серьезной компьютерной обработкой, возможно, позволит обнаружить пресловутую иголку в стоге сена. Но это даст нам только отправной момент. Прежде чем фермеры посадят на свои поля семена, которые будут давать постоянный, надежный урожай, потребуется вырастить многие поколения растений и провести их отбор. Именно здесь помогут технологии на стыке дисциплин: они могут существенно ускорить время от посадки зерна до сбора урожая нового, более устойчивого и плодовитого подвида культуры.
При новом подходе используются самые передовые технологии: во-первых, для записи физических характеристик с помощью основанных на изображении методах фенотипирования растений, а во-вторых, для расширения этих технологий до масштаба, требующегося для того, чтобы отобрать среди сотен и тысяч растений экземпляры для высокопроизводительного фенотипирования. Высокопроизводительные методы были созданы для лабораторных условий, таких как в фенотипическом комплексе фонда Белуэттера Центра Данфорта, и сейчас адаптируются для полевых экспериментов. Поскольку фенотипические черты проявляются в течение всего жизненного цикла растения, у этих инженерных технологий также должна быть возможность неоднократно проводить измерения характеристик на одном и том же растении и тщательно собирать его полный фенотип, который можно сравнивать с фенотипами других экземпляров.
В отличие от геномики, сбор данных в феномике не является линейным и развивается в самых разных направлениях во времени и пространстве. Это означает, что при поиске более сладкой кукурузы или устойчивой к засухе пшеницы мы должны отслеживать полный жизненный цикл растений и изучать самые разные вопросы, полностью оценивая фенотип растений, прежде чем со всей определенностью сможем выбрать самые жизнеспособные и урожайные варианты. Как растения ведут себя в ответ на слишком обильный или недостаточный полив? Будут ли они успешно расти при большем или меньшем количестве удобрений? Как много продукции можно будет собрать? Какова их пищевая ценность? Как они выглядят и каков их вкус?
До последнего времени мы были ограничены собственными возможностями сбора и изучения информации подобного рода. Барбара Мак-Клинток, великий генетик, работавший с кукурузой в ХХ в., знаменита тем, что проводила эти исследования буквально на ногах, переходя от ряда к ряду, где росла кукуруза, которую она скрещивала. Она пальцами ощупывала структуру тканей листьев, отмечала размер и цвет развивающихся початков, а затем скрупулезно фиксировала схему расположения зерен.
Сегодня ученые и фермеры переключились на снимки с дронов и спутниковую съемку, чтобы выполнить эту работу по регулярному наблюдению за сотнями гектаров полей, засеянных зерном. Техника используется, чтобы с высоты зафиксировать условия на отдельных территориях, вызывающих интерес или озабоченность. Беспилотники даже оборудуют особыми, узкоспециализированными камерами так, что они могут измерить, сколько света растения используют для фотосинтеза или как много воды им необходимо. Но даже у такого способа сбора информации есть свои ограничения. Наблюдение за отдельным растением на поле все еще находится за пределом возможностей современной техники, а следить за ним в течение всего жизненного цикла – особенно трудная задача. Фенотипирование с высокой пропускной способностью на деле превратилось в фактор, ограничивающий скорость при использовании широкомасштабных геномных данных для того, чтобы улучшить растения.
Чтобы понять, о чем я говорю, представьте себе проведение эксперимента для того, чтобы проверить, даст ли скрещивание двух эволюционно далеких подвидов растений новый вариант, устойчивый к недостаточному количеству воды. Этот эксперимент немного напоминает опыты Грегора Менделя по скрещиванию гороха, но имеется одно очень важное отличие. Мендель использовал близкородственные растения, что ограничивало диапазон возможных результатов в поколении потомков. Но даже при этом ограничении он изучил сотни растений.
В нашем эксперименте растения-родители несут более широкий диапазон генетической информации, что должно дать более широкую вариацию фенотипов у потомков, некоторые из которых, как мы надеемся, будут устойчивее к засухе. Трудность в том, что на начальной стадии мы не знаем, какие гены и в каком количестве дают эту устойчивость к недостатку воды. Скажем, наше лучшее предположение из предварительного анализа растений-родителей – это то, что 1 % потомков может продемонстрировать качество, которое мы ищем. Мы можем захотеть проверить этот эффект недостатка влаги несколько раз в разные периоды жизни растений. И если мы заинтересованы в производстве продуктов питания – например, в томатах или соевых бобах, – то захотим проследить за растениями от прорастания до готового продукта. Для того чтобы обнаружить редкий эффект, который проявляется, предположительно, у 1 % потомства, возможно, потребуется изучить сотни растений несколько раз за период их роста. Чтобы внести такие переменные, как вода, свет и чувствительность к температуре, нужно следить за тысячами растений. То, что выглядело как простой эксперимент, быстро становится очень сложным.
До последнего времени мы могли делать это только как Барбара Мак-Клинток, то есть лично, день за днем отслеживая развитие каждого растения. Но сегодня мы разрабатываем методы и технологии наблюдения, которые позволят следить за состоянием растений и сортировать их гораздо быстрее и эффективнее, основываясь на фенотипах. Чтобы увидеть это своими глазами, я решила посетить Центр растениеводства имени Дональда Данфорта и завораживающий “Дом роста”, который описала в начале главы.
В эту поездку я направилась ранним осенним утром 2017 г. Когда мой самолет вырвался из облаков, заходя на посадку в Сент-Луисе, я посмотрела в иллюминатор и увидела одни из самых плодородных фермерских земель в мире: плоские равнины центральной части страны, занятые почти бесконечными полями разного оттенка зеленого, окаймленные дорогами, железнодорожными путями, с маленькими городами, разбросанными на большом расстоянии друг от друга. В центре находится Сент-Луис, столичный мегаполис этой земли.
Сельское хозяйство играет важную роль в экономике региона. В Сент-Луисе и его окрестностях разместились штаб-квартиры некоторых ведущих компаний страны, производящих продукты питания, и поэтому в университетах и исследовательских центрах, в том числе в Университете Вашингтона и Миссурийском университете, множество специалистов по сельскому хозяйству. Основатели Центра Данфорта выбрали это место для возможности максимального взаимодействия и достижения цели – “улучшить условия жизни человека с помощью науки о растениях”.
В Центре Данфорта меня встретила одна из его выдающихся исследовательниц – доктор Элизабет Келлог, ботаник с широчайшим спектром интересов и открытий. Келлог начала работать в Центре Данфорта в 2014 г. и совмещает эту работу с должностями и в Университете Вашингтона, и в Миссурийском университете в Сент-Луисе. Свою карьеру она посвятила изучению злаковых культур и близких к ним растений. Злаковые культуры занимали ведущее положение в питании человека и в самой человеческой цивилизации с того времени, до которого мы вообще можем проследить историю сельского хозяйства.
Келлог провела для меня небольшую экскурсию по территории, обратив внимание на исконную флору равнин Миссури – дикорастущую коллекцию трав, кустов и деревьев, уже подернутых осенней желтизной. Растения выращены из местного посевного материала и представляют собой оригинальную растительную жизнь прерии, которая в этой части Миссури перемежалась лесом еще до того, как в Америку прибыли европейцы. Келлог не могла сдержать восторг, описывая проект Центра Данфорта, заменивший недавно выведенные виды, обычные для ландшафтной планировки, растениями, отражающими экологическую историю региона. Недалеко находилась маленькая деревенька из теплиц, а за ней – луга и необработанные, заросшие травой территории с многочисленными штаб-квартирами различных сельскохозяйственных компаний.
Войдя в главное здание, я была поражена его открытой архитектурой, позволяющей окинуть взглядом все пространство до теплиц и полей позади. Я постепенно начала понимать: то, что когда-то было обыкновенной штаб-квартирой корпорации, теперь тоже изменилось, как и территория вокруг, чтобы отразить совершенно иной подход к открытиям. Вдобавок к тому, что от входа было видно все здание и то, что находится рядом с ним, коридор открывался непосредственно в просторный зал собраний, который служил и столовой, и местом сбора сотрудников. Келлог объяснила, что главная идея, организующая работу Центра Данфорта, связана с сотрудничеством не только среди его ученых, студентов и технического персонала, но и с взаимодействием между университетами и сельскохозяйственными предприятиями района. Многие ученые Центра Данфорта, как и сама Келлог, занимали должности в местных университетах; у многих также были связи с партнерами на производстве. Каждый проект, о котором мне рассказывали во время моего визита, каждый комплекс, где я побывала, каждая отдаленная цель, о которой мне говорили, – все это описывалось как результат усилий группы людей. Дух сотрудничества оживляет Центр Данфорта.
В конце экскурсии Келлог познакомила меня с доктором Джимом Каррингтоном, президентом Центра Данфорта. Мы встретились в конференц-зале, где Каррингтон и еще десяток ученых собрались, чтобы рассказать о своей работе. Каррингтон, известный молекулярный биолог, работающий с растениями, говорит с такой точностью, какая у многих из нас может быть только в письменной речи. Он обладает способностью раскладывать сложные идеи на самые важные и наиболее понятные составляющие.
Каррингтон начал разговор с проблемы быстрого увеличения производства продуктов питания. “Если мы хотим, используя современные сельскохозяйственные методы и технологии, удовлетворить мировые потребности, которые можно ожидать к 2050 г., – сказал он, – нам потребуются дополнительные земли размером с Африку и Южную Америку вместе взятые”. Поскольку очевидно, что такой возможности не будет, Каррингтон и его команда ищут новые пути обеспечить продовольствием мировое население с учетом будущих потребностей, а это означает: в совместно используемых комплексах Центра Данфорта разрабатываются технологии и стратегии повышения урожайности сельскохозяйственных культур в США и во всем мире без увеличения техногенной нагрузки. Это многофакторная задача на стыке дисциплин, но в основе ее, как объяснил Каррингтон, лежит одна захватывающая идея – поиск естественных генетических вариаций, которые существуют в мире растений сегодня, чтобы сконструировать лучшие виды сельскохозяйственных культур завтра. Ученый считает, что нам еще многое предстоит узнать о гениальных задумках самой природы. Генетическая сложность растений – это кладезь возможностей, из которых мы можем вывести лучшие подвиды растений с помощью как генетических изменений, так и целенаправленного скрещивания. Но мы сможем сделать это достаточно быстро, только если сумеем применить процесс селекции, где большое количество растений тестируется в течение всего жизненного цикла.
Затем Каррингтон дал слово собравшимся в комнате ученым, которые представили мне множество различных проектов по оценке подвидов растений. Один из исследователей проверяет возможности использования РНК, чтобы подавить экспрессию гена в растениях. Это очень заманчивая идея: вместо того чтобы добавлять гены, которые выражают какое-то качество, скажем токсин, убивающий насекомых-вредителей (например, Bt), мы можем задействовать ингибиторную РНК, чтобы отключить определенные гены, и таким образом добиться желаемой характеристики. Другой ученый использует технологию применения рентгеновских лучей, используемую для того, чтобы определять усталость металла при производстве автомобилей и самолетов. С ее помощью он отображает и измеряет рост корневой системы растений. Это имеет особую важность для корнеплодов и клубнеплодов, таких как маниок и картофель, у которых развитие плода происходит под поверхностью почвы. Другие растения, такие как соевые бобы и горох, накапливают в корнях азот, и это означает, что они могут пополнить содержание азота в почве, что является одной из немаловажных причин для ротации севооборота, где участвуют азотфиксирующие растения, такие как клевер. Сегодня чаще всего потребность в азоте удовлетворяется с помощью добавления экзогенного азота в удобрения, но, если ученые из Данфорта смогут использовать технологию визуализации корневой системы, чтобы лучше понять происходящие в ней процессы, возможно, у них получится и усилить способность некоторых растений накапливать азот, что позволит фермерам снизить количество азотосодержащих удобрений.
После собрания я отправилась с двумя учеными, Бекки Барт и Найджелом Тейлором, в некоторые специализированные комплексы Центра Данфорта, а именно на площадки, где занимаются фенотипированием, микроскопическими исследованиями, биоинформатикой, протеомикой, масс-спектрометрией и культурами клеточных тканей растений. Мы побывали в лабораториях и посетили небольшую часть комплекса теплиц Данфорта, состоящего из 43 экспериментальных станций и 84 камер и комнат роста растений.
Потом мы прошли в “Дом роста” с его незабываемыми танцующими растениями, двигающимися по конвейерным лентам тщательно отрежиссированными сложными путями. Как объяснили мне Барт и Тейлор, самая важная характеристика этого Дома – то, что он дает ученым возможность компьютерного контроля за всеми манипуляциями на уровне отдельного растения. Это позволяет проводить самые разнообразные эксперименты и вести несколько опытов одновременно. В единичной экспериментальной работе, которая может продолжаться до шести недель, несколько разновидностей растений могут быть проверены в одних и тех же условиях или одна разновидность может быть протестирована на различные условия полива и удобрения. Ученые могут при необходимости смешивать и соединять эти эксперименты. Один метод может проверить пять различных засушливых условий на небольшом количестве хорошо изученных, отличающихся с точки зрения генотипов растений, например, чтобы определить, какой генотип дает лучший фенотип. Сегодня это ключевая проблема в растениеводстве, и чем быстрее будут проводиться подобные эксперименты, тем быстрее повысится производительность в сельском хозяйстве. Поскольку засуха представляет собой, по всей видимости, самую значительную трудность для земледелия в ближайшие годы, многие из экспериментов, которые проводятся в “Доме роста”, связаны именно с устойчивостью к недостатку воды.
После того как мы покинули “Дом роста”, Барт и Тейлор показали мне одно из новых приобретений Центра Данфорта – промышленную роботизированную руку, которую они назвали Грейс. Возвышаясь примерно на три метра, Грейс несет камеры, которые могут со всех сторон сфотографировать растение, при этом в течение цикла развития растения используются различные виды камер для того, чтобы запечатлеть разнообразие его свойств. Робот укреплен на платформе, гасящей все вибрации, поэтому он может делать фотографии с самым высоким возможным разрешением. Вскоре Грейс станет одной из многих остановок, которые растения делают на своем пути по “Дому роста” Центра Данфорта.
Получение изображений – главная технология в “Доме роста”. Среди размещенных там камер есть обычные камеры, которые могут запечатлеть размер растений и расположение листьев, флуоресцентные, способные отследить то, как растения поглощают свет, и измерить их реакцию на стресс, и инфракрасные камеры, определяющие содержание воды. Но изображения – это только первый шаг. Все фотографии, полученные с разных камер, с помощью самых современных компьютеров представляются в числовой форме. Получаются огромные массивы информации, которую анализируют компьютеры.
Сегодня закрытые комплексы для фенотипирования, такие как “Дом роста” в Центре Данфорта, позволяют каждый день собирать информацию о сотнях растений. По сравнению с работой вручную, когда на каждое растение требуется час или более в зависимости от фенотипа, это очень большое достижение. Но объем информации, которую могут собирать эти закрытые комплексы, так велик, что для его обработки требуются не только самые современные компьютеры, но и сложное программное обеспечение, написанное специально для работы с изображениями. Ученые из Данфорта создали для этих целей свою собственную программу под названием “Резюме растений” (PlantCV). Она имеет открытый исходный код и доступна на бесплатных ресурсах исследователям со всего мира. Главная цель, как и всегда в Данфорте, – сотрудничество.
Все это звучит очень хорошо, но нельзя забывать, что конечной целью является изучение того, как растения растут в поле. Для работы в этом направлении Тодд Моклер, еще один выдающийся исследователь из Центра Данфорта, руководит крупным консорциумом, разрабатывающим комплекс для полевых испытаний в Марикопе, штат Аризона. Комплекс в Марикопе – это “Дом роста” на стероидах. TERRA-REF, совместный проект сельскохозяйственного центра Аризонского университета в Марикопе и отделения сельского хозяйства Научно-исследовательского центра по изучению засушливых земель, собравший более 15 участников, превратил поле размером 20 × 200 м в то, что, возможно, является самым крупным полевым комплексом фенотипирования в мире.
На поле может находиться до 80 000 отдельных растений, которые представляют 400 различных вариаций генотипа. Оно снабжено сложной контрольно-измерительной аппаратурой под названием Lemnatec Field Scanalyzer, состоящей из металлической платформы на стальных рельсах, скользящей туда и обратно по всей длине поля. На платформе находится набор камер, которые собирают все виды фенотипической информации о растениях, то есть размер, скорость роста, расположение листьев, цвет, форма, урожайность, устойчивость к заболеваниям и влагопоглощение. Эта информация ежедневно записывается по каждому отдельному растению в течение всего периода его роста и созревания. Как и “Дом роста”, комплекс в Марикопе использует новые технологии визуализации и вычислительные мощности для того, чтобы обеспечить анализ одного растения за другим при очень высоком разрешении и разобраться с устрашающей проблемой огромного поля, засеянного различными видами растений.
Данные о характерных признаках растений, собираемые с высокой точностью, а также природно-климатические условия делают возможным полевое высокопроизводительное фенотипирование. Как сказал мне Моклер, система в Марикопе разработана для того, чтобы отслеживать развитие отдельных растений на поле в течение двух месяцев. После того как огромная сокровищница данных наполняется, ученые, работающие в комплексе, анализируют их с помощью современных вычислительных методов, в том числе алгоритмов машинного обучения и других видов искусственного интеллекта. Все это позволяет исследователям определить самые лучшие подвиды растений для дальнейшего разведения. Для некоторых растений в комплексе уже есть возможность предсказать урожайность по их фенотипу за 30 дней. Работа, которую проводят ученые Марикопы, также предоставляет основополагающие материалы для дальнейшего поиска ключевых генов и биологических процессов следующего поколения генетических модификаций.
■ ■ ■
В начале этого столетия прорывы в генотипировании и фенотипировании уже позволили добиться значительных успехов. Согласно последнему докладу, опубликованному Министерством сельского хозяйства США, на более чем 90 % обрабатываемых земельных ресурсов, которые в 2017 г. использовались для посадки кукурузы и хлопка, применялись генетически измененные культуры. Это значительный рост по сравнению с 2000 г., когда та же самая цифра составляла менее 60 % для хлопка и менее 30 % для кукурузы. Но даже эти значительные успехи не соответствуют ожиданиям, если нам нужно будет накормить растущее население планеты в следующие десятилетия.
Возьмем маниок – культуру, имеющую огромное значение в развивающихся странах. Она растет на малоплодородных почвах и выдерживает засуху. Ее крупные корнеплоды стали одним из социально значимых продуктов питания для более чем 500 млн человек, проживающих в тропиках. Маниок выращивают в основном фермеры, обрабатывающие землю для прокорма своей семьи, на маленьких участках, ее используют на этих же фермах или продают на местных рынках. Однако этот продукт не привлекает инвестиции сельскохозяйственной индустрии, которые позволяют повысить урожайность товарных культур, таких как кукуруза, соевые бобы и хлопок.
Центр Данфорта – одно из мест, где существует исследовательская программа улучшения маниока с помощью генетических изменений и фенотипического отбора. Найджел Тейлор, один из ученых, с которым я встречалась ранее, объяснил, что работа началась в ответ на вирусную инфекцию маниока, переносимую насекомыми, которая в последние годы снизила урожайность этой жизненно важной культуры и стала угрозой продовольственной и экономической безопасности фермеров в Восточной и Центральной Африке. По словам Тейлора, самый многообещающий подход к борьбе с болезнью – это, вероятно, генная супрессия. Когда растение генетически изменяется так, чтобы экспрессировать последовательность генов вирусов, вызывающих болезнь, ген запускает внутренний механизм распознавания его болезни, активизируя защитные системы. Как после иммунизации, растение вооружается заранее, что делает его способным сразу же после инфицирования атаковать патоген – до того как болезнь укрепится.
Тейлор рассказал мне, как команда ученых начала работать над проектом в теплицах Центра Данфорта. Их работа была частью проектов “Устойчивый к вирусу маниок для Африки” (Virus Resistant Cassava for Africa, VIRCA) и VIRCА Plus, в которых участвуют ученые и правительственные организации из Уганды и Кении, а также исследователи Центра Данфорта. Начав в 2008 г., ученые изолировали вирусы, вызывающие болезнь, в поле, чтобы определить лучшие последовательности генов, запускающие сопротивление болезни. Затем они ввели эти последовательности в геном сотен кустов маниока и определили, какие именно растения наиболее стабильно и сильно экспрессируют введенный ген и лучше сопротивляются болезни. В конце концов исследователи нашли 25 самых многообещающих линий растения, а затем в сотрудничестве с учеными из других стран высадили их для изолированных полевых опытов в Уганде, в местах, наиболее пострадавших от вируса.
После первого цикла тестов консорциум выбрал примерно полдюжины линий для повторных опытов, которые проводились в других районах Уганды и Кении, в последующих циклах посадки. Лучшие подвиды растений должны были не только быть устойчивыми к вирусу, но и давать урожай в достаточном количестве и того качества, которое устроило бы фермеров. Это сузило отбор до двух линий, которые теперь проходят дальнейшие испытания, необходимые для официального одобрения в обеих странах. Оценка проводится по международным стандартам, по критериям продовольственной безопасности, безопасности кормов и экологической безопасности и напоминает процедуры, которые проводились много раз для того, чтобы оценить и официально одобрить другие генетически модифицированные культуры, такие как кукуруза, соевые бобы и хлопок. Если все пойдет хорошо, то уже в 2023 г. фермеры в Восточной Африке получат новые сорта маниока.
Высокопроизводительное фенотипирование может дать нам возможность изменить маниок другими способами. Фенотипирование корней – один из разрабатываемых сейчас методов, при которых рентгеновские лучи используются для того, чтобы получить изображение корневой системы, находящейся под землей. Это станет очень важным шагом вперед. До сих пор исследования фенотипов растений ограничивались стеблями и листьями, которые легко рассмотреть. Для корнеплодов и клубнеплодов, таких как маниок, листья и стебли являются плохим показателем для определения количества и качества продукта питания или для отслеживания вирусов, разрушающих корневую систему. Развитие корневого фенотипирования для маниока может позволить куда более тщательно отслеживать подрывающие урожайность факторы, а также облегчит разработку новых методов борьбы с болезнью.
Генетическое изменение маниока также дает возможность повысить его пищевую ценность. Его корнеплоды – прекрасный источник калорий, но содержат очень небольшое количество жизненно важных питательных микроэлементов. По данным Всемирной организации здравоохранения, во многих странах, где эта культура является одним из основных продуктов питания, многие дети и женщины страдают от анемии. Немодифицированный маниок не может решить этой проблемы, потому что в нем слишком мало цинка и железа, чтобы предотвратить нарушения питания. Но международная команда проекта VIRCA Plus разработала новые разновидности растения, которые накапливают в своих корнеплодах гораздо больше цинка и железа, что позволит страдающим от недоедания людям получать больше этих элементов. Долгосрочной целью является богатая питательными веществами и устойчивая к болезням разновидность маниока.
Чтобы улучшить маниок и другие культуры в развивающихся и развитых странах, мы, конечно, будем брать за основу быстро растущие знания об отдельных генах и комплексных механизмах, регулирующих их экспрессию и стабильность. Но, учитывая то, что сегодня известно о полигенной регуляции признаков, мы также должны продолжать использовать фенотипирование. Это потребует больше высокопроизводительных методов и технологий, которые я видела в Центре Данфорта, – точных, быстрых способов измерения и записи признаков растений, а также вычислительных инструментов для анализа больших объемов информации, которые предоставляют эти методы.
Пока еще не известно, какие именно гены определяют комплекс признаков, которые мы ищем в растениях. Но в результате удивительно мощных способов взаимодействия биологии и инженерного дела в сельском хозяйстве можно быть уверенным, что вскоре настанет день, когда мы многое узнаем. Когда самолет взлетал над Сент-Луисом, я думала об этом с надеждой. Я думала о том, что человечество вплотную подошло к решению проблемы: у нас есть путь к технологиям, которые позволят обеспечить доступными и питательными продуктами 9,5 млрд людей по всему миру.
