Поиск - новости науки и техники

Поделятся генами. Микробы помогут в борьбе за урожай.

Прежде чем рассказать о проекте “Научные основы создания эффективной технологии стабилизации роста и развития растений в многокомпонентной растительно-микробной системе”, его руководитель академик РАН Игорь ТИХОНОВИЧ пригласил меня за парту – на свою лекцию для четверокурсников биолого-почвенного факультета Санкт-Петербургского университета. Во-первых, чтобы я вошел в тему “взаимодействия растений с микробами” (именно так называлась лекция), а во-вторых, посмотрел на потенциальных сотрудников Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии РАН, самые пытливые из которых, уже начиная с магистратуры, могут подключиться к удостоенному гранта РНФ проекту.
Студенты произвели на корреспондента “Поиска” благоприятное впечатление: не перешептывались, не “зависали” в своих мобильниках, а усердно конспектировали, ловя каждое слово маститого лектора, декана факультета и профессора кафедры генетики. Тема была увлекательной. Оказывается, растения не просто взаимодействуют с микробными сообществами, обитающими на их корнях, но и системно контролируют это взаимодействие в зависимости от условий окружающей среды. А подробнее о том, как этот альянс использовать для получения щедрых и стабильных урожаев, Игорь Анатольевич рассказал мне уже в своем родном НИИ в Пушкино, замечу, единственном в академии институте, “заточенном” на изучении и применении полезных форм микроорганизмов в сельскохозяйственном производстве. Доктор биологических наук профессор Игорь Тихонович с 1986-го по 2016 годы был его директором, а сейчас является научным руководителем.
Начали, как полагается, с погоды и видов на урожай. Погода у нас переменчивая, адаптироваться к ее перепадам растениям даже сложнее, чем человеку. Урожай год на год не приходится, и в этой нестабильности, по мнению ученого, главная проблема сельского хозяйства: кто же будет инвестировать в непредсказуемую отрасль? При этом современные сорта сельскохозяйственных культур по урожайности уже достигают биологического максимума. Применение агрохимикатов, которыми увлекались в недавние годы, экономически затратно и экологически небезопасно, желательно дополнить их природными средствами противостояния стрессам. Хорошо бы найти гены устойчивости к засухе, наводнениям, болезням и вредителям, но даже у выпестованных селекционерами сортов растений набор требуемых генов весьма скромен.
Высшие растения, как и человек, – эукариоты (живые организмы, клетки которых содержат ядро), имеющие ограниченный запас генов. У растений их чуть больше, чем у человека, – около 26 тысяч. Почему их так немного? По словам Тихоновича, вероятно, потому, что растения пользуются услугами симбионтов – микроорганизмов, живущих на “хозяине”, принося пользу себе и ему. И некоторые адаптивные функции не заложены в генотип растений, а выполняются за счет полезных сожителей. В этом мудрость природы, отмеченная еще выдающимся генетиком Николаем Тимофеевым-Ресовским: смысл эволюции не в том, чтобы создавать специализированные адаптации, а чтобы обеспечить омнипотентность, т.е. способность развивать эти адаптации в нужный момент.
К примеру, в геноме растений нет структуры, позволяющей фиксировать жизненно важный элемент азот. Но при необходимости на корнях развиваются клубеньки, в которых находятся бактерии, способные фиксировать азот и, соответственно, снабжать им растения. Этот принцип дополнительности – геном эукариота дополняется геномом прокариота (микроорганизма), порождая признаки, которых не было до взаимодействия, – стал базовым для исследования Игоря Тихоновича и членов его команды, среди которых, как я убедился, много молодежи. Младший научный сотрудник Анна Китаева изучает структуры эффективных азотфиксирующих клубеньков. Старший научный сотрудник кандидат биологических наук Ольга Кулаева и младший научный сотрудник Александр Жернаков (оба – на нижнем снимке) занимаются поиском генов, связанных с развитием взаимовыгодных симбиозов гороха с микробами. Всего же в проекте участвуют три группы под руководством ведущих научных сотрудников: Владимира Жукова – транскрипты (молекулы РНК, образующиеся в результате экспрессии ДНК), Виктора Цыганова – архитектура клетки и Елены Долгих – распространение бактериального сигнала в растении. Цыганов и Долгих недавно защитили докторские диссертации. 
Итак, если дополнить геном растений изменчивым геномом обитающих на их корнях микроорганизмов, то этот обобщенный, функционально единый симбиогеном обретает абсолютно уникальные свойства. Ведь по набору генов, их разнообразию и возможностям адаптации он многократно превосходит генетический потенциал растений как таковых. Но чтобы использовать этот ресурс во благо отрасли, придется изучить фундаментальные основы взаимодействия как растений и различных микроорганизмов, так и последних между собой. На это и нацелен грант с ежегодным финансированием 30 миллионов рублей. 
Часть расходов взял на себя индустриальный партнер проекта компания “Экосфера”. Ее сотрудники занимаются поставкой микробиологических удобрений, средств защиты и питания растений за рубеж и в основные аграрные регионы России и ощущают возросший интерес потребителей к экологически безопасным микробным препаратам и технологиям. В рамках сотрудничества (в первый же год “Экосфера” инвестировала в проект 2 миллиона рублей, на второй – 4 миллиона, на 3-й и 4-й планирует 6 и 8 миллионов) проводится изучение воздействия различных комбинаций полезных микроорганизмов на посевной горох. Выработав правильную стратегию применения микробных препаратов, партнеры надеются снизить дозу минеральных удобрений, тем самым сэкономив средства и улучшив экологическую ситуацию.
За неполные два года работы по гранту ученые во многом уже преуспели. Например, впервые определили структуру нескольких генов растений, буквально ответственных за хостинг. Их задача – обеспечить поселение внутри клетки соответствующего симбионта. То есть помочь образоваться единой генетической системе, состоящей из генов эукариот и генов прокариот, причем и те, и другие равнозначно нужны. Стоит выбить какой-то ген у бактерии, равно как у растения, и симбиоза не возникнет. Но этот помощник размещается на “территории” клетки временно, растение его использует, после чего уничтожает. Умно!
– Растения очень аккуратно расходуют свой генотип, – комментирует Игорь Анатольевич. – Одни и те же гены взаимодействуют с совершенно разными группами симбионтов – клубеньковыми бактериями, микоризными грибами (которые тоже поселяются в растениях и оптимизируют их питание, прежде всего фосфором) и с ассоциативными микроорганизмами, выполняющими различные функции. Как растения находят в почве, содержащей миллиарды единиц живого, несколько десятков клеток нужных им клубеньковых бактерий, как превращают их в фабрики по производству азота? Как они ведут себя, когда необходимо “разместить” все три группы симбионтов? Это лишь часть вставших перед нами нетривиальных вопросов. 
В поисках ответов ученые рассмотрели варианты взаимодействия растений с одним, двумя, тремя симбионтами в разных комбинациях. При этом изучали транскрипты, отражающие активность тех растительных генов, которые откликнулись на сигналы, подаваемые симбионтами. Убедились, что подача растению сигналов от разных симбионтов поодиночке или в комбинации вызывает формирование определенных наборов транскриптов. То есть растение понимает, с каким симбионтом имеет дело, и адекватно реагирует. Теперь предстоит разобраться, какую информацию эти транскрипты кодируют и почему разный набор симбионтов вызывает разную реакцию растений. От этого в практическом смысле будет зависеть, например, в каком порядке следует подавать растению различных помощников.
Обычно в молекулярно-биологических, генетических и физиологических исследованиях модельным растением служит арабидопсис (в просторечье – резуховидка). В данном случае работы ведутся на бобовых культурах, в частности, на горохе, и на то есть веские причины. Во-первых, горох – тоже традиционная модель, данные экспериментов с нее без особых трудностей переносятся на пшеницу и другие культуры (сходство в организации генетического материала у растений велико). Во-вторых, институт располагает едва ли не крупнейшей в мире коллекцией симбиотических мутантов хозяина – гороха, а также многочисленными экземплярами из замечательной роботизированной коллекции полезных сельскохозяйственных микроорганизмов, специфичных для данной культуры. В-третьих, горох в отличие от арабидопсиса – хозяйственно значимый объект. 
Сочетание теории и практики – вообще “фишка” этого исследования. Знание о тонкостях взаимодействия микробов и растений – из разряда фундаментальных, но не менее важно научиться с точки зрения экономики правильно формировать такие многокомпонентные системы. Ведь при оптимальном подборе симбиотических партнеров применение азотных и фосфорных удобрений будет сокращаться, а значит, сельское хозяйство станет более адаптивным, экологически приемлемым и конкурентоспособным. 
Современные селекционеры лишь начинают привлекать микробиологический ресурс. Многие элитные сорта растений были выведены без учета их взаимоотношений с микробами – в почву, не жалея, вносили азот и фосфор, фактически отучая растения применять эволюционно выработанные ими же свойства. Теперь, убежден академик, их надо вернуть. Он обнадежен тем, что самые продвинутые селекционеры уже сотрудничают с институтом. Впереди много общей работы, серьезным подспорьем в ней станет Федеральная программа развитии генетических технологий на период 2019-2027 годов, которую указом президента от 28 ноября 2018 года правительству поручено сверстать в трехмесячный срок. Нелишне сопоставить протяженность гранта, выигранного Тихоновичем и сотрудниками (2017-2020 годы), и срок действия федеральной программы, предусматривающей бюджетное финансирование. За 4 года объемную работу в области генетики и биотехнологий – с осязаемым результатом для сельского хозяйства – не выполнить, поэтому в условиях гранта прописана возможность продления на три года, то есть горизонт исследования составит семь лет. К счастью, в институте есть инструментарий для скрупулезной работы, важнейший из которых – та самая коллекция (более 7 тысяч штаммов полезных микроорганизмов), надежно размещенная в криохранилище с авторизованным компьютерным доступом.
– У нас в руках – весь арсенал средств, которыми пользуются растения, чтобы привлечь к себе и заставить работать на себя симбиотические микроорганизмы. В дальнейшем хотелось бы провести скрининг микробных генов из почвы, таящих огромный резерв самых разных признаков, – и для изучения фундаментальных основ живого, и для практического использования, – говорит Игорь Анатольевич Тихонович.
Сейчас ученые сочетают исследования молекулярных механизмов взаимодействия в симбионте с анализом и оценкой эффективности многокомпонентных растительно-микробных систем. Проверка универсальности и эффективности отобранной системы будет проведена в вегетационном эксперименте с использованием 10 производственных сортов гороха. Академик пообещал, что корреспондент “Поиска” тоже будет “поставлен на горох” – приглашен на старт эксперимента.
Аркадий СОСНОВ
Фотоснимки предоставлены Институтом сельскохозяйственной микробиологии

Нет комментариев