Их попытки серьёзно упростят селекцию новых вариантов наиболее важной зерновой культуры мира
Учёные расшифровали геном риса в 2002-м. Они закончили работать с геномом сои в 2008. Они разметили геном кукурузы в 2009-м. Но только сейчас закончилась долгожданная расшифровка генома пшеницы. Эта задержка не соответствует важности пшеницы – ведь это, наверное, одна из самых критически важных культур мира. Поля пшеницы занимают больше площади, чем поля любой другой культуры. Она обеспечивает пятую часть поглощаемых человечеством калорий. Но ещё её геном – один из самых сложных, известных науке.
Для начала, геном пшеницы нереально огромен. Геном резуховидки Таля – первого растения, чей геном был расшифрован – содержит 135 млн пар нуклеотидов, человеческий геном – 3 миллиарда, а пшеница – 16 миллиардов. Только одна хромосома пшеницы, 3B, больше чем весь геном сои.
Что ещё хуже, геном пшеницы на самом деле содержит в себе три генома. Примерно 500 000 лет назад, ещё до появления человека, два вида дикой травы скрестились, и создали то, что известно нам под именем двузернянка. После того, как люди одомашнили это растение и начали его сажать, к нему случайно подмешалась третья трава. Эта запутанная история дала современной пшенице три пары хромосом – по паре от каждого из трёх предков. На техническом жаргоне это называется гексаплоидным геномом. Проще говоря – огромная головная боль.
Обычно генетики секвенируют геномы, разбивая ДНК на небольшие фрагменты, читая их отдельно, и собирая кусочки обратно. Но если каждая хромосома встречается шесть раз, как узнать, куда нужно вставлять каждый конкретный кусочек?
Что ещё хуже, 85% генома пшеницы состоит из повторяющихся последовательностей, так что, даже если вы подберёте правильную хромосому для кусочка ДНК, всё равно будет трудно выяснить, куда его пристроить. Это похоже на решение гигантской головоломки, на которой по три раза изображён один и тот же участок неба.
“У нас нет понятия, куда что вставляется”, – говорит Келли Эверсоул, руководитель международного консорциума секвенирования генома пшеницы (IWGSC) – группы исследователей из 19 стран, пытавшихся взломать геном с 2005 года. После 14 лет, $75 млн и нескольких неполных черновиков, команда опубликовала почти полный геном пшеницы сорта “китайская весенняя”, разметив более 107 000 генов. “То, что мы закончили это делать – это чудо”, – говорит Эверсоул.
Что неожиданно, куда как более маленькая команда из шести человек, под руководством Стивена Зальцберга из Университета Джонса Хопкинса, в прошлом году выпустила свой вариант почти завершённой расшифровки генома, при помощи новых технологий, считывающих очень длинные отрезки ДНК. Но, хотя Эверсоул одобряет достижение небольшой команды, она отмечает, что в их варианте “нет такого уровня детализации, какой есть у нас, и именно эта детализация крайне важна для селекционеров”.
“Расшифровка последовательности генома кукурузы серьёзно повлияла на создание улучшенных вариантов”, – отмечает Эверсоул. Производство пшеницы, наоборот, тащилось в хвосте, и доходность этой культуры недавно упала. А это проблема, поскольку исследователи предполагают, что миру придётся выращивать на 60% больше пшеницы к 2050 году, чтобы прокормить растущее население.
“Как бы вы ни относились к диете на основе пшеницы, никуда не деться от её важности в вопросах глобальной пищевой безопасности”, – говорит Элисон Бентли, не принимавшая участия в консорциуме. Бентли – директор по генетике и селекции в британском Национальном институте сельскохозяйственной ботаники, и хотя она говорит, что люди достигли небывалого прогресса в разведении пшеницы в отсутствии [расшифровки] генома, имея её на руках, можно будет ускорить прогресс.
Обычно приходилось делать много проб и ошибок, чтобы создавать новые варианты пшеницы, которые, например, переносили бы холод или грибковые заболевания. “Вы смешиваете всё сразу, и идёте этим долгим путём ежегодного скрещивания, надеясь, что у вашего варианта окажется правильный набор генов – а на это уходят годы”, – говорит Эверсоул, выросшая в Оклахоме в семье фермеров. Но при наличии полного генома селекционеры могут определять гены, отвечающие за определённые свойства, и гарантировать, чтобы они присутствовали в их сорте. “Цель – создать улучшенный набор инструментов для селекционера и увеличить доходность для тех, кто выращивает культуру”, – говорит она.
И это уже происходит. Используя законченный геном, команда нашла давно ускользавшие гены (с прекрасно запоминающимся названием TraesCS3B01G608800), влияющие на внутреннюю структуру стеблей. Если у растения оказывается больше копий этого гена, их стебли становятся твёрдыми, а не полыми, что позволяет им сопротивляться засухе и насекомым. Используя тест, подсчитывающий количество этих генов, селекционеры могут эффективно выбирать сорта с цельным стеблем.
“Пройдёт ещё какое-то время до того, как все осознают преимущества этого для сообщества селекционеров”, – говорит Равви Сингх из Международного центра по улучшению кукурузы и пшеницы в Мехико. “Но в нашей программе мы уже используем этот ресурс, чтобы определять важные участки генома, отвечающие за такие качества, как урожайность, сопротивляемость болезни, жаре и засухе, и питательность”.
В IWGSC уже начали разбираться с тем, какие гены включаются в какие моменты прорастания и роста пшеницы, и как эти схемы активности отличаются у трёх младших геномов. Если учёные смогут понять, как включать определённые гены в определённые моменты жизни растения, люди в принципе смогут выращивать пшеницу в реальном времени, “реагируя на сезон и окружающую среду, – говорит Бентли. – Это было бы невероятно круто”.
Она предупреждает только о том, что новый геном получен от необычного сорта, “китайская весенняя”, который “немногие фермеры признают за пшеницу”. И всё-таки, “китайская весенняя” исторически важна, как основа многих ранних исследований пшеницы. И теперь, когда геном опубликован, учёным будет гораздо легче расшифровать большой спектр культур, и понять генетические основы их различных свойств.
Исследователям также, возможно, удастся лучше справляться с тёмной стороной пшеницы. Многие люди страдают от аллергии на глютены и другие белки пшеницы, что приводит к таким болезням, как целиакия, пекарская астма и нецелиаковая чувствительность к пшенице. Учёные смогли определить множество отвечающих за это белков, “но до сих пор мы не могли определить гены, кодирующие эти белки”, – говорит Одд-Арн Олсен из Норвежского университета жизненных наук. Его команда уже определила 356 таких генов. Из них 127 не были известны науке ранее, а 222 были известны, но неправильно расшифрованы.
Команда также обнаружила, что пшеница производит больше аллергенов, влияющих на целиакию, когда растёт при высоких температурах, из чего следует, что выпечка может стать более аллергенной при повышении температуры планеты. Но, возможно, поняв, какие гены стоят за аллергией, селекционеры смогут преодолеть эту тенденцию и создать менее аллергенные варианты пшеницы.
Конечно, вряд ли это будет так просто. Ольсен отмечает, что те же самые белки, что отвечают за аллергию, определяют и качество муки. Эверсоул отмечает, что варианты пшеницы, в которых содержится больше белка, дают меньше урожая. Всегда есть минусы, но команда надеется, что полная версия генома упростит задачу их исследования.
Используя геном, селекционеры также могут использовать такие технологии редактирования генов, как CRISPR, чтобы быстро изменять свойства культур. IWGSC показал, как просто это можно делать, определив гены пшеницы, влияющие на время цветения, и изменив их при помощи CRISPR, создав сорт, цветущий на несколько дней раньше обычного. Такие технологии можно будет использовать для переноса полезных свойств дикой пшеницы в одомашненные сорта.
Основные препятствия на пути этих изменений – общественное одобрение и законодательные ограничения. В июле 2018 Европейский верховный суд постановил, что зерновые культуры, отредактированные при помощи CRISPR, считаются генетически модифицированными организмами, даже когда в них не вносят гены других организмов. Таким культурам теперь придётся проходить долгий и затратный процесс одобрения, который, вероятно, отпугнёт многие компании от инвестиций в эту область. “У нас теперь есть знания и инструменты, но применять их будет непросто”, – говорит Ольсен.
