Искусственная селекция сегодня присутствует в каждой булочке, печенье, тарелке карбонары или пицце «пепперони». Мы редко задумываемся, что всего век назад урожайность зерновых падала с 1000 кг/га до 300 кг/га, и из-за этого миллионы людей умирали от голода.
В условиях постоянно усиливающейся жары и дефицита осадков в Казахстане встал вопрос о повышении продуктивности пшеницы при минимумe воды. К 2019 году национальные селекционеры вывели 45 сортов озимой пшеницы с разными генетическими задатками и потенциалом урожайности. Озимая пшеница хоть и уступает яровой по максимальным показателям, но в засушливых регионах показывает более стабильные результаты. Оставалось опробовать новинки в полевых условиях.
С 2019 по 2022 год сорта проходили трёхлетние испытания — без этого невозможно оценить стабильность показателей. Генетика — не волшебство, а системная работа: каждый сорт анализируют по сотням маркеров, строят генетические карты и прослеживают все преобразования. По итогам полевых опытов лидерами стали:
- BONITO-37/MV10-2000 — до 5300 кг/га;
- LYMARIVNA — до 5600 кг/га, а при достаточных осадках 9000–11000 кг/га;
- OK12D22004-016 — до 5200 кг/га.
Важно: сорт LYMARIVNA помимо засухоустойчивости должен быть устойчив к грибным и бактериальным болезням, не вылеживаться при ветре и не осыпаться после дождей.
Для сравнения: в СССР в 1932 году, при жестокой засухе, урожай озимой пшеницы на Украине составлял около 500 кг/га, а в Казахстане из-за ещё более сухого климата — на 30% меньше.
Сорт СТЕКЛОВИДНАЯ 24 (1995 год) в засушливые годы давал порядка 2000 кг/га, тогда как без дополнительного полива в обычные сезоны — около 2600 кг/га. Новые же гибриды начинают давать вдвое больше даже при серьёзной засухе.
Опытную станцию разместили в Заилийском Алатау (48° с. ш., 77° в. д.). Каждый сорт высевали в трёх блоках по 10 м² на светло-каштановых среднесуглинистых почвах с 3,0% гумуса (0–30 см), общий азот — 0,15%, фосфор — 0,21%, калий — 1,67%.
Dynamics and Malleability of Plant DNA Methylation During Abiotic Stresses
Ключевая сложность селекции — эпигенетическая реакция растений на стресс. При засухе или жаре одни гены замедляются, другие активируются; при повторных высеваниях урожайность может падать, и прежние «успешные» варианты вдруг начинают болеть. Простая селекция с 1920-х уже не справляется: нужно проверять эпигеном, фиксировать метилирование, модификации гистонов и РНК-маршруты, чтобы найти действительно устойчивые линии.
Эпигенетика включает:
- Реакцию на стресс (засуха, жара, тяжёлые металлы) через изменение уровня метилирования генов.
- Активацию генов, связанных с транспортом ионов, антиоксидантной защитой, гормональным и вторичным обменом.
- Наследование эпигенетических меток внутри растения (митоз) и иногда между поколениями (мейоз).
Однако эпигенетическая регуляция весьма вариабельна: каждая клетка, каждое растение реагирует по-своему, и на уровне потомства результаты могут сильно отличаться. Поэтому селекция на основе только эпигенетики сталкивается с нерегулярностью и неопределённостью.
Тренировки растений «приучить» к засухе в прошлом были обречены: эпигенетические метки исчезают или меняют направление, как только условия возвращаются к норме. Но одновременный анализ генотипа и эпигенотипа позволяет отобрать стабильные наследуемые изменения и усилить традиционную селекцию.
Примеры эпигенетической реакции на жару:
- У Arabidopsis при +10–15 °C выше нормы нарушается структура гетерохроматина, активируются гены ELF7, DEL2, BRF3, и растение вместо паузы пытается расти, что приводит к гибели.
- У кукурузы меняется метилирование 325 генов, участвующих в репарации ДНК, синтезе крахмала, сборке сплайсосомы, транспорте РНК и углеродном обмене; девять генов усиливают сплайсинг.
- У Populus simonii микронуклеиновые РНК перестраивают экспрессию генов липидного и окислительного обмена.
- У хлопка тепловой стресс затрагивает метилирование 5130 генов, связанных с гормональным обменом, синтезом тиамина, глутатиона и тирозина.
- Рис при жаре формирует более мелкие семена из-за подавления OsCMT3 и активации OsFIE1 — так растение жертвует размером семени ради выживания потомства.
При любом ухудшении условий тысячи генов мгновенно меняют свою активность. Эти изменения быстро накапливаются, могут сохраняться несколько поколений, но при смене условий либо откатываются, либо трансформируются в новые настройки. В природе нет стабильности в нашем понимании — есть лишь выживание и продолжение рода.
Это же ограничивает вмешательство в геном: нанести или удалить один ген недостаточно — сотни и тысячи других адаптируются вслед за ним. Гены работают сетями, и любое изменение одного участка неизбежно влечёт эпигенетические перестройки по всему геному. Эффективнее всего сочетать традиционную селекцию, генетический анализ и мониторинг эпигенетических меток.
По той же причине сложна терапия генетических заболеваний у человека: раковые мутации затрагивают сотни генов, и исправление лишь части из них вызовет каскад новых изменений. Зато можно влиять на иммунитет и метаболизм при помощи биохимических модификаторов, опираясь на точный генотипный и эпигенетический анализ.
