Наука. Академик Драгавцев: какие технологии селекции растений на повышение урожая – трансгеноз или управление взаимодействием «генотип-среда» - будут доминировать в будущем?

В период 1984-2012 гг. группой исследователей была создана теория эколого-генетической организации количественных признаков (ТЭГОКП) [1, 2, 3] и развиты теоретически и экспериментально 24 следствия из нее [4, 5]. Главное положение теории: при смене лимитирующего рост растений фактора внешней среды меняется спектр и число генов, детерминирующих один и тот же количественный признак (КП).

Показано, что признаки «интенсивность транспирации» и «интенсивность фотосинтеза» в течение суток детерминируются поочередно двумя и тремя разными спектрами генов, соответственно. Механизм этого явления сейчас стал вполне очевиден. Известно [6], что общее количество генов, экспрессируемых в клетках человека, около 24000, из которых 11000 экспрессируются в клетках любого типа.

Если этот принцип справедлив для растений, то очень легко объяснить результаты следующих опытов. Если два сорта пшеницы: один - с геном Lr (устойчивости к бурой ржавчине), другой – без этого гена – высадить на делянках и заразить бурой ржавчиной, то у первого сорта только продукт одного гена Lr – фитоантисипин – будет «подпирать» признаки продуктивности, а у второго сорта эти признаки будут развиты слабо. При скрещивании этих сортов на фоне бурой ржавчины в поколении F2 мы получим расщепление по признакам продуктивности 3 : 1 – результат влияния продукта одного гена, хотя параллельно с ним экспрессируются тысячи других генов.

На фоне без ржавчины моногенная детерминация признаков продуктивности исчезает, их наследование традиционно описывается гипотезой полигении. Таким образом, лим-фактор среды «заставляет» влиять на признак генные продукты (уже наработанные в клетке), которые обеспечивают наибольшее «противостояние» данного генотипа к данному лим-фактору.

Кэксер [7] в своем докладе на симпозиуме в Бристольском университете в 1959 году подчеркнул: «Я, конечно, знаю, что вся генетика основана на предположении о высокой точности и воспроизводимости действия генов. Такое ложное предположение могло возникнуть из-за того, что нет никаких доказательств, подтверждающих, что в генетических экспериментах измеряется именно первичное действие генов... Результаты развития могут определяться не генами, а кинетической структурой системы» (С.61). И далее: «В процессе индивидуального развития (а свойства продуктивности не наследуются, а развиваются в онтогенезе, на фоне смен лим-факторов среды, В.Д.) гены следует рассматривать не как диктаторов, а скорее как государственных служащих, выполняющих свою работу в рамках определенных традиций» (С. 63).

ТЭГОКП подтвердила позицию Кэксера. Клетку растения можно уподобить осажденной крепости, в которой работают бригады скромных оружейных мастеров (генов). Одна бригада делает винтовки, другая – пулеметы, третья – пушки, четвертая – пули и снаряды. Но какие продукты этих оружейников будут применены при обороне крепости – это определяет противник (конкретный лим-фактор среды). Если на крепость наступает пехота – стреляют винтовки, если конница – пулеметы, если  танки – то пушки. Блоки генов (оружейные бригады) – это не генералы, отдающие жесткие приказы какой величины должен быть признак продуктивности, а скромные мастера, делающие свой оружейный продукт, который либо «выходит» на борьбу с  противником (лим-фактором среды), либо нет – это определяется только спецификой противника, т.е. спецификой лим-фактора среды.

Главные (из 24-х) следствия из ТЭГОКП: расшифрованы механизмы  формирования и созданы методы прогноза: 1) эффектов взаимодействия генотип-среда (ВГС), 2) трансгрессий, 3) экологически зависимого гетерозиса, 4) знаков и уровней генотипических и экологических корреляций, 5) сдвигов доминирования, 6) гомеостаза продуктивности, 7) нормы реакции. Созданы методы управления амплитудой генотипической изменчивости КП и числом генов, «выходящих» на КП.

Показано, что эколого-генетическая природа сложного КП не может быть описана языками менделевской, биометрической и молекулярной ветвей генетики. Только язык ТЭГОКП строго описывает поведение сложных КП в эволюции и селекции.

Уровни продуктивности и урожая растений определяются не генами КП, а эффектами ВГС, которые являются эмерджентными свойствами высоких уровней организации жизни (онтогенетический, популяционный, фитоценотический) и отсутствуют на молекулярном уровне. Механизм ВГС подробно изучен с позиций ТЭГОКП и окончательно выяснен. ВГС - это смена наборов продуктов генов, влияющих на признак, при смене лим-фактора внешней среды.

Вопреки прозвучавшим в 70-х годах призывам академика В.А. Энгельгардта о необходимости разворота биологии от редукционизма к синергизму, история биологии распорядилась по-другому: все главные организационные усилия и средства были брошены в редукционизм молекулярной генетики. Это было слепое копирование научных трендов США и Европы, что существенно ослабило в РФ решение системных физиолого-экологических надмолекулярных задач клеточного, тканевого, органного, организменного, популяционного, биоценотического, ноосферного и биосферного уровней.

Сегодня многие государства выделяют огромные суммы на развитие геномики, протеомики и трансгеноза, но ни в одном НИИ (и в России, и за рубежом) пока еще нет ни одной лаборатории, разрабатывающей тему: «Расшифровка механизмов ВГС и создание методов прогноза ВГС для выведения новых урожайных сортов растений».

Между тем, самый мощный вклад в эколого-генетическое повышение урожаев могут дать только эффекты ВГС. Если сорт озимой пшеницы Безостая 1 (селекции акад.  П.П. Лукьяненко) вырастить под Москвой, то он даст чуть больше 10 ц/га. На Кубани он легко дает до 100 ц/га, т.е. ВГС способно повысить урожай почти на 1000 %.

Традиционные генетические механизмы аналитической и синтетической селекции (каждый в отдельности) могут поднять в конкретном регионе урожай лишь на 5 – 10 %. Шведский сорт яровой пшеницы Ранг, испытанный в Тюменской и Омской областях в 60е годы, обогнал по урожаю на 25-30 % стандартные сорта и был тут же районирован. Эвкалипт из Австралии, привезенный в Уругвай, ускорил свой рост более чем в 2 раза. Это – эффекты ВГС. За счет ВГС на Сахалине реализуется гигантизм кормовых трав (в Европе они – по колено, на Сахалине скрывают всадника с лошадью).

ТЭГОКП показала, что традиционные подходы молекулярной генетики (MAS, QTL) вряд ли смогут серьезно помочь эколого-генетическому приращению урожая в процессе селекции, тем более, что генетики, развивая в течение 150 лет (от Г. Менделя) свою науку, так и не нашли cпецифических генов продуктивности, величины урожая, горизонтального иммунитета, видового иммунитета, гомеостаза урожая (пластичности сорта), засухо-, зимо-, жаро-, холодо-устойчивости и т.д., не локализовали их, не выделили, не клонировали, не секвенировали и не определили их продукты. Причины этого объяснил крупнейший молекулярный генетик Гюнтер Стент [8] еще в 1974 г.: «Поиски «молекулярного» объяснения сознания являются напрасной тратой времени, поскольку физиологические процессы, ответственные за это ощущение, задолго до того, как будет достигнут молекулярный уровень, распадутся до ординарных рабочих реакций, не более или менее удивительных, чем процессы, происходящие, например, в печени». Хотя с ним и не согласен глава Курчатовского Центра М. Ковальчук: «Для изучения природы сознания необходимо понимание молекулярных процессов», однако, все знания системной биологии сегодня говорят в пользу Г. Стента. Недаром США выделили в 2012 г. на программу «Коннектом» (расшифровку полной структуры нейронных связей и их лабильных сдвигов между 100 млрд. нейронов в мозге человека) миллионы долларов.

«Коннектом» - более абициозный проект, чем «Геном человека», а ведь по сути – это изучение феномена ВГС – лабильной структуры связей между нейронами под воздействием внешних факторов и, главным образом, - не на молекулярном уровне («Поиск», No 4, от 27.01.12).

Подобно тому, как невозможно изучать сознание на молекулярном уровне, невозможно изучать на том же уровне самый мощный «рычаг» повышения урожаев растений – ВГС, которое бесследно исчезает на молекулярном уровне, подобно сознанию, являясь эмерджентным свойством, возникающим при взаимодействии продуктов генов с лабильными в течение суток, недель, месяцев лим-факторами среды и только на высоких уровнях организации жизни: организменном, популяционно-экологическом, фитоценотическом.

Все генетические операции с «большими» генами Г. Менделя, включая трансгеноз, способны помочь повышению продуктивности и урожая только в тех случаях, когда «большой» ген в строго определенной среде «выходит» на детерминацию свойства продуктивности. К сожалению, менделевских генов в геномах растений найдено очень мало – всего 1 – 3 % от суммарного объема генов родового генома. Продукты оставшихся 97 % генов находятся в сложнейших взаимодействиях друг с другом, пока совершенно непонятных, но главное – с меняющимися (даже в течение суток) лим-факторами внешней среды, У трансгеноза, который сегодня может работать только с «большими» генами Г. Менделя очень много слабых мест: «существующие методы трансформации растений малоэффективны, видо- и сортоспецифичны, приводят к случайному встраиванию чужеродной ДНК в геном реципиента, накладывают ограничения на количество переносимой информации и т.д. Переброс трансгенов из одного сорта в другой требует многократных возвратных скрещиваний и главное – не является генетически чистой процедурой, поскольку вместе с чужеродной ДНК в процессе случайной рекомбинации происходит перенос различных «кусков» ДНК сорта-донора.

Трансгены в сегодняшних коммерческих сортах работают (экспрессируются) постоянно и, как правило, во всех органах и тканях растения (подобно раковой клетке, вышедшей из-под замка корреляций целостного организма и порождающей опухоль, В.Д.). Поскольку эффективной процедуры встраивания трансгенов в заранее заданный участок генома не существует, манипулирование даже несколькими независимыми признаками и их координированный переброс в сотни сортов превращаются в логистический кошмар для селекционных компаний» [9, С. 97-98].

ТЭГОКП показала, что если даже в будущем удастся преодолеть перечисленные трудности, то, по причине «блуждающих» спектров продуктов генов, детерминирующих процессы формирования продуктивности, у трансгеноза нет мощных стратегических перспектив создать надежные  молекулярно-генетические технологии управления сложными, экономически важными КП (продуктивностью и урожаем). Такие технологии создала ТЭГОКП, и они уже успешно работают в более чем 30 российских и зарубежных генетических и селекционных центрах [10].

ЛИТЕРАТУРА

1.  Драгавцев В.А., Цильке Р.А., Рейтер Б.Г., Воробьев В.А., Дубровская А.Г., Коробейников Н.И., Новохатин В.В., Максименко В.П., Бабакишиев А.Г., Илющенко В.Г., Калашник Н.А., Зуйков Ю.П., Федотов А.М. Книга: Генетика признаков продуктивности яровых пшениц в Западной Сибири. Изд. «Наука» СО АН, Новосибирск, 1984, 230 С.
2. Драгавцев В.А., Литун П.П., Шкель Н.М., Нечипоренко Н.Н. Модель эколого-генетического контроля количественных признаков растений. // Доклады АН СССР, 1984, Т. 274, No 3, С. 720-723.
3. Драгавцев В.А. Теория эколого-генетической организации количественных признаков. // Толковый словарь терминов по общей и молекулярной биологии, общей и прикладной генетике, ДНК-технологии и биоинформатике, М. «Академкнига», М, «Медкнига», 2008, Т. 2, С. 308.
4. Драгавцев В.А. Уроки эволюции генетики растений. // Журнал «Биосфера». 2012. Т. 4. No 3. С. 251-262.
5. Чесноков Ю.В., Почепня Н.В., Бёрнер А., Ловассер У., Гончарова Э.А., Драгавцев В.А. Эколого-генетическая организация количественных признаков растений и картирование локусов, определяющих агрономически важные признаки у мягкой пшеницы. // Доклады РАН, 2008, Т. 418, No 5, С. 1-4.
6. Alberts B., Bray D., Lewis Ralff M., Roberts K., Watson J. Molecular biology of the cells. Ed. By Robertson, Garland, New York, 1994, 369 P.
7. Кэксер Г. Кинетические модели развития и наследственности. Книга: Моделирование в биологии, И-Л, М, 1963, С. 42-64.
8. Стент Г. Молекулярная генетика, И-Л, М, 1974.
9. Лутова Л.А. Современные технологии в биологии растений. Книга: Экологическая генетика культурных растений (материалы Всероссийской школы молодых ученых, Краснодар, 2011). Публ. 2012. С. 82-100.
10. Драгавцев В.А. Эколого-генетическая организация количественных признаков растений и теория селекционных индексов. Книга: Экологическая генетика культурных растений (материалы Всероссийской школы молодых ученых, Краснодар, 2011). Публ. 2012. С. 31-50.

Драгавцев В.А., академик РАН и РАСХН

Источник: Сб. докладов Международного Симпозиума "Трансгенные растения" (ИФР), ноябрь 2016 г. С. 47-50.