Клонирование растений из семян

Генетики из Вагенингена (Нидерланды) разрабатывают метод воспроизведения родителей выбранного растения. Этот метод, известный как «обратная селекция», окажет большое влияние на селекционную индустрию.

Подобно тому, как люди не знают, какие характеристики унаследует ребенок, растения, размножающиеся с помощью пыльцы и пестика, производят огромное разнообразие потомства. Селекционеры хотят ограничить эту сложную вариативность. «На этот раз мы перевернем процесс», — говорит генетик Ханс де Йонг. «Мы собираемся воспроизвести родителей идеального растения».

Де Йонг проводит свою работу по обратной селекции вместе с аспирантом Эриком Вейнкером и исследовательской группой из селекционной фирмы Rijk Zwaan. Идея, предложенная директором по R&D этой компании Робом Дирксом, уже запатентована. Лаборатория генетики сейчас исследует, осуществима ли эта концепция, и опубликовала статью в этом месяце в Plant Biotechnology Journal.

«Мы хотим ограничить процессы, определяющие огромное генетическое разнообразие растений», — говорит Де Йонг. «Для этого нам нужно понять процесс генетической рекомбинации и взять его под контроль». Геном растений и животных состоит из множества пар хромосом. Во время оплодотворения семя и яйцеклетка сливаются, создавая уникальное потомство, которое получает по одной хромосоме из каждой пары от каждого родителя. Родитель на самом деле не передает одну из своих двух хромосом потомству. Передаваемая хромосома представляет собой комбинацию двух родительских хромосом, потому что фрагменты хромосом обмениваются посредством так называемых кроссинговеров. Именно эти кроссинговеры приводят к новым комбинациям отцовских и материнских характеристик и большому разнообразию в потомстве. «Теперь мы можем препятствовать этим кроссинговерам», — говорит Вейнкер. «Таким образом, мы ограничиваем рекомбинацию и можем проводить селекцию на уровне хромосом».

Это открывает новые перспективы для селекционной индустрии. Де Йонг поясняет: «В настоящее время селекционеры используют тщательно отобранные родительские линии, в которых обе копии хромосом абсолютно идентичны». Селекционеры скрещивают родительские линии, чтобы получить идеальное растение с желаемыми характеристиками: гибрид.

Например, существует гибрид для получения крупных вкусных томатов. Но при скрещивании с другими томатами комбинация желаемых характеристик теряется в последующих поколениях. Поэтому производителю томатов приходится постоянно покупать новые гибридные семена. Так селекционеры зарабатывают на жизнь. Идеальный гибрид можно воспроизвести, только если есть его родители. Селекционные фирмы тщательно охраняют родительские линии и держат их в секретных полях.

Де Йонг и Вейнкер хотят воспроизвести эти гибриды в своей лаборатории с помощью обратной селекции. Ключевой научный вопрос: как можно получить родителей идеального растения томата? Если бы это было возможно, мы бы засеяли большое поле семенами множества сортов и нашли бы растение, которое лучше всего растет в данных условиях, говорит Де Йонг. «Затем мы бы воспроизвели родителей этого растения». Секретные поля селекционных фирм ушли бы в прошлое.

Для этого исследователи сначала взялись за модификацию процесса мейоза, когда образуются половые клетки, в которых происходят кроссинговеры. Им удалось это для модельного растения Arabidopsis и нескольких сельскохозяйственных культур. Хорошо, что у Arabidopsis всего пять пар хромосом. Кроссинговеры во время мейоза приведут к максимум 2^5, то есть 32 различным жизнеспособным половым клеткам.

Затем эти половые клетки, в которых находится только одна копия хромосомы, нужно развить во взрослое растение с двумя копиями, как у исходного родителя. И здесь дуэт добился успеха, заставив пыльцу Arabidopsis прорасти в проросток, позволив нескольким хромосомам дуплицироваться. «Месяц назад это было невозможно с Arabidopsis. Затем нам помог американский коллега, сделавший фантастическое открытие в лаборатории, и мы снова на правильном пути», — говорит Де Йонг. Следующий шаг — скрестить проростки друг с другом. Затем они используют маркерную технологию, чтобы выяснить, какие из 32 возможных родителей ответственны за идеальное растение. Вскоре они представят доказательства возможности обратной селекции в новой публикации.

Однако селекционная индустрия смотрит на это скептически. У Arabidopsis очень мало хромосом, что дает только 32 возможные половые клетки. «Поэтому шанс найти родителей очень велик», — говорит Вейнкер. У риса и томата двенадцать пар хромосом. «При таком резком росте сложности шансы найти родителей уменьшатся», — говорит Де Йонг. Такая культура, как хлебная пшеница (21 пара хромосом), слишком сложна. «Мы не думаем, что сможем использовать эту технику для пшеницы». Но обратная селекция достижима для таких сельскохозяйственных культур, как шпинат (шесть пар хромосом), рожь и огурец (семь), свекла (девять) и кукуруза (десять).