Сорта прошлого спасают урожаи сегодня. Интервью с директором ВИР Еленой Хлесткиной

В коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР) собрано больше 320 тыс. образцов. Среди них — уникальные физические носители генетической информации тех культурных растений и дикоросов, которых уже не найти в полях.

Чего бы мы лишились, не сохранив генетические коллекции растений? Как удается сохранять коллекцию, если образцы постоянно передаются селекционерам для работы? Нужна ли очередная революция в аграрных науках? Об этом — в интервью с директором ВИР членом-корреспондентом РАН Еленой Константиновой Хлесткиной

― Коллекция ВИР ― крупнейшая в России и одна из самых богатых по разнообразию в мире. Ее называют «генетический щит России». Что это за коллекция? Или давайте пойдем от обратного: если бы не она, чего бы мы лишились?

― К названным характеристикам стоит добавить и то, что коллекция не только одна из крупнейших в мире, но и старейшая в своем роде. Ранее существовали гербарные и зоологические собрания, но коллекция генетических ресурсов растений, охватывающая не только сельскохозяйственные культуры, но и близких им родственников, впервые была создана именно в России. Ее главный создатель ― Николай Иванович Вавилов. Возглавив наш институт, он полностью организовал работу по сбору и, как бы сейчас сказали, менеджменту коллекции.

Такой тип коллекций называют ресурсным, то есть ориентированным на нужды экономики и жизнедеятельности человека. Самое важное — что все образцы через десятилетия и поколения сохраняются в живом виде. Каждый когда-либо собранный сорт должен оставаться генетически идентичным тому, каким был найден, смешение недопустимо. Дело в том, что собранные образцы, которые мы называем физическими носителями генетической информации, подобно драгоценному вину, с годами становятся все ценнее. Образец постоянно изучают новыми методами, знания накапливаются, и очень важно, чтобы информация была четко привязана к конкретному образцу: так в дальнейшем он сможет найти практическое применение.

Управление такой коллекцией ― задача крайне непростая. Все мировые коллекции создавались уже по лекалам, разработанным Н.И. Вавиловым. Если бы не его работа, то к такому типу хранения пришли бы значительно позже, скорее всего во второй половине XX в.

Почему коллекция Вавилова так ценна? Прежде всего, благодаря материалу, собранному в первой половине XX в., до индустриализации сельского хозяйства. В то время на полях царило огромное сортовое разнообразие: в основном это были староместные сорта пшеницы и других культур. После индустриализации и Второй мировой войны разнообразие на полях резко сузилось — остались только промышленные сорта. Но для постоянной сортосмены необходим приток нового генетического материала, который можно черпать только из того самого разнообразия, которое сегодня уже не встретишь на производственных полях.

Что произошло бы, если бы исчезли коллекция Вавилова и подобные ей? В такой гипотетической ситуации лет через 20 наступил бы продовольственный коллапс. Почему? На 20 лет еще хватит текущих запасов — селекционные программы используют исходный материал из этих ценнейших коллекций. Но как только этот запас исчерпается, новые сорта будет не из чего создавать. В производственных полях остается крайне узкое разнообразие, а значит налицо неустойчивость и нестабильность.

― Казалось бы, и существующие сорта достаточно неплохи?..

― Они неплохи на данный момент. Почему все время нужна сортосмена? Современный сорт редко живет на полях дольше пяти лет: у растений, как и у людей, есть враги — вирусы, бактерии, различные болезни. Человек адаптируется, вырабатывая иммунный ответ, но у растений такого иммунитета нет, они неспособны вырабатывать антитела. Если у них генетически нет устойчивости, сорт отправляется на полку.

― На шестой год на том же поле та же пшеница уже не вырастет?

― У растений много патогенов, и в среднем их штаммы преодолевают устойчивость сорта за пять лет. Затем растения начинают поражаться и урожайность падает. Нужно постоянно искать новые гены и их комбинации из разных источников.

Ученые пока не умеют создавать и внедрять искусственные гены. А даже если такое чудо произойдет и ученые создадут и внедрят ген устойчивости к определенному заболеванию, все равно через пять лет он будет преодолен патогенами. Имея же разнообразный естественный материал, можно найти и подобрать необходимые комбинации.

Феномен коллекции в том, что ценность сорта невозможно предсказать заранее: бывало, что образцы, которые просто хранились 50 лет, вдруг оказывались востребованными и полезными.

― То есть какая-то неказистая пшеница, которую давно никто не культивирует, может оказаться хранителем редких свойств?

― Да, сегодня мы можем даже не знать, какие гены содержатся в тех или иных сортах, но по мере развития науки находимо что-то новое. Поскольку условия в полях постоянно меняются, а требования к сортам растут, селекционерам не стоит игнорировать свойства, которые сегодня не кажутся интересными, но в будущем могут оказаться востребованными.

― В одном из выступлений вы отмечали, что задачи при геномном редактировании сельскохозяйственных культур должен ставить селекционер. Как выстраивается работа ВИР с другими учеными: к вам обращаются за конкретным сортом или просто описывают, какие качества хотят получить, а вы выбираете из коллекции то, что может подойти?

― Это встречное движение. С одной стороны, в институте ведется так называемая пребридинговая работа. Например, у нас хранится очень богатая коллекция разных видов картофеля, в том числе дикие аборигенные культуры из стран Южной Америки, собранные еще в 1920–1930-х гг. Ученые ВИР не просто изучают их по отдельности, но проводят скрещивания и создают так называемых доноров. Дикий вид, обладающий каким-то полезным свойством, например устойчивостью к колорадскому жуку, сам по себе донором быть не может. Если его скрестить с культурным видом, потомство оказывается далеким от последнего по свойствам: клубни мелкие и несъедобные. Поэтому необходимо провести дополнительный ряд скрещиваний, чтобы получить культуру, похожую на привычный для нас картофель по товарному виду, урожайности и другим признакам, но при этом сохранившую устойчивость.

Наши ученые в прошлом году опубликовали работу, в которой описано, как при помощи современных методов отбора от трех разных диких видов картофеля удалось собрать три разных гена устойчивости к фитофторозу. Это называется пирамидой генов. Раньше проверять сорт на устойчивость возможно было, только заражая растение. Теперь зная, по какому гену ведется отбор, мы можем применять ПЦР-диагностику и отбирать в потомстве растения с тремя нужными генами. Это уже донор, и селекционеры могут его использовать. Скрещивая таких доноров с сортами, которые культивируются в конкретном регионе, селекционер достаточно быстро сможет получить сорт с нужными товарными свойствами и дополнительной устойчивостью к колорадскому жуку. Это один из вариантов сотрудничества.

Но чаще селекционеры описывают то, что им нужно. Например: пшеница определенных сроков спелости, устойчивая к таким-то болезням, желательно происхождение из конкретных стран и т.д. Куратор коллекции обращается к базам данных, где собраны результаты многолетних описаний, испытаний и исследований, и по конкретным признакам выбирает сорта. Например, у нас более 30 тыс. сортов пшеницы; куратор выбирает около 30 наиболее соответствующих запросу сортов и передает их селекционеру, которому предстоит высевать их, скрещивать и оценивать.

― То есть вы регулярно обращаетесь к коллекции, изымаете из нее отдельные образцы и передаете селекционерам. При этом коллекция не уменьшается. Как удается сохранять эталоны?

― Феномен коллекции в том, что материал может репродуцироваться, а образец генетически остается тем же самым. Это нужно именно для создания материала, который выдается селекционерам по запросу, и мы постоянно храним запас.

Например, у нас осталась 1 тыс. семян конкретного образца и поступило 10 заявок по 100 семян: мы репродуцируем образец на опытных станциях, получая необходимое количество. Неприкосновенный запас остается, остальное выдается по заявкам.

― Как долго приходится обычно ждать?

― Мы стараемся постоянно хранить запас, необходимый для предоставления селекционерам. А ситуации, в которых один образец оказывается настолько популярным, что на него одновременно приходит несколько заявок и приходится ждать его воспроизведения, достаточно редки.

― Можно ли, оценивая поступающие запросы, понять, в каком направлении развивается селекция? Не касается ли большинство заявок конкретных культур или генетических свойств?

― Селекционеры не сами решают, в каком направлении развиваться, а ориентируются на рынок. Мы анализируем их запросы, ведем статистику и видим, что наибольший интерес наблюдается к экспортным, маржинальным культурам. В последние два-три года было много запросов по сахарной свекле, подсолнечнику, традиционно — по зерновым и картофелю. Причем внутри мы тоже наблюдаем дифференциацию: раньше запрашивали в основном пшеницу для хлебопечения, реже — для макарон, а теперь появились запросы на необычные виды пшеницы. Вот пример: полба, известная еще из сказок А.С. Пушкина, была надолго забыта, но в 2000-е гг. ее возродили на полях. Селекционеры заинтересовались ею, увидев нишевый рынок, связанный со здоровым питанием, обратились в ВИР, подняли образцы полбы, собранные еще в начале XX в., провели селекцию, и теперь полба внесена в государственный реестр и снова выращивается.

По картофелю запрашивают в основном доноры с конкретными признаками: определенными сроками спелости, реакциями на фотопериод, устойчивостью к болезням, например к стеблевой ржавчине.

Если говорить о новых трендах, то это функциональное питание и диверсификация культур. Очень много нестандартных запросов по овощным культурам: нужны не просто морковь или капуста, а редкие зеленые культуры или редкие масличные с необычными свойствами, в том числе с повышенным содержанием биологически активных веществ. Это нишевые направления, но некоторые селекционеры стараются диверсифицировать свою деятельность, понимая, что кроме основной культуры нужно создавать что-то дополнительно. Они видят тренды функционального питания (сейчас один из них ― это геропротекторы, увеличивающие продолжительность жизни) и стараются формировать соответствующие заказы.

― В последние годы популярна тема климатических изменений. Замечаете ли работу селекционеров в этом направлении? Выводятся ли сорта, устойчивые к постоянно обновляемым условиям?

― Если раньше мощная засуха могла произойти локально раз в 50 лет, то теперь вполне может возникать раз в пять лет. Мы знаем истории голода, например в 1891 г. Именно после той трагедии, охватившей большую часть страны и унесшей миллионы жизней, и образовался наш институт. Высокую науку решили поставить на службу земледелию.

Хороший вектор был задан еще в конце ХIХ в., а к 1920–1930-м гг. научные методы и селекция развились так, что множество проблем удалось преодолеть.

Вообще-то растения сами по себе хорошо адаптированы к переменам климата. Человек может уйти в дом, животное ― найти более комфортные условия, а растениям в полях деваться некуда. Поэтому за миллионы лет эволюции они выработали массу приспособлений. Например, их геномы сложнее, чем у человека. Большинство культурных растений полиплоидны, то есть у них наличествуют запасные гены: какие-то из них работают, другие нейтрально эволюционируют. В результате из-за разнообразия генов часть популяции обычно выживает даже в критических внешних условиях.

Сегодня ученые все чаще анализируют геномы, чтобы понять природные механизмы и целенаправленно работать над селекцией. А селекция, как говорил Н.И. Вавилов, ― это эволюция, управляемая волей человека. Более того, сегодня мы приближаемся к селекции на основе анализа больших данных и математического моделирования.

― В первой половине и середине ХХ в. произошло то, что сегодня называют зеленой революцией: в сельском хозяйстве начали применять новые научные, технические и организационные подходы. В результате в мире значительно стабилизировалась проблема продовольственной обеспеченности. Нужна ли зеленая революция XXI в. или то, что происходит сегодня в селекции и генетике, и есть эта сама вторая революция? 

― На самом деле идет уже третья зеленая революция. Но для начала скажу несколько слов о первой. В начале разговора вы упомянули «неказистую пшеницу, которая когда-нибудь пригодится». Эта история как раз связана с первой зеленой революцией. После Второй мировой войны освободилось множество заводов, готовых выпускать химические удобрения и средства защиты растений. Но когда их начали применять к старым сортам, например к пшенице или рису с длинным стеблем, возникла проблема: при увеличении продуктивности колоса стебель ломался при первом же ветре или дожде, посевы полегали, и урожай было сложно собрать.

Тогда решили, что нужно укорачивать стебель, чтобы применять удобрения, повышающие продуктивность. Однако долго не могли найти такие сорта. Почему? Потому что раньше селекция всегда стремилась к созданию высоких растений: они быстро отрастали и затеняли сорняки, так что это был естественный способ борьбы с ними. А короткие стебли потребовались с появлением гербицидов и удобрений.

Нужные сорта нашли в Японии: они вырастали буквально до щиколотки. Возможно, из-за любви к миниатюре японцы их и сохранили. Одни из этих сортов взяли в проработку в Мексике, другие — в Италии. Те, что прошли через Италию, позже попали в СССР. На их основе наши знаменитые селекционеры, в частности Павел Пантелеймонович Лукьяненко, создали сорт «Безостая 1», который до сих пор высаживается в некоторых странах.

Генетика стала полезна для селекции с самого начала. Н.И. Вавилов создал первую в мире теорию селекции — об этом можно рассказать отдельно, но суть в том, что именно он поставил селекцию на научные рельсы. Сначала эта теория появилась у нас в стране, а затем ею начали пользоваться во всем мире. И классическая генетика уже тогда помогала селекционерам контролировать отбор по наследуемым признакам.

В Национальном центре зерна им. П.П. Лукьяненко, одном из ведущих институтов по селекции пшеницы, работает Герой Труда РФ академик Людмила Андреевна Беспалова. Когда она демонстрирует современные достижения, то всегда показывает график урожайности сортов с момента основания института. Видно, что рывок, связанный с первой зеленой революцией, был колоссальным, а с приходом методов молекулярной генетики прогресс стал уже не таким значительным. Поэтому нельзя сказать, что молекулярные методы произвели революцию, это вспомогательные инструменты, облегчающие отбор, особенно по генам устойчивости к болезням, но они не решают всех проблем.

В чем же состоит новая зеленая революция? Это достижение российских ученых, которое называется «сортовая мозаика»: пожалуй, успех России в экспорте пшеницы в значительной мере обеспечен этими результатами.

— В чем суть этого метода?

— Это генетическое разнообразие не только на полке в коллекции, но и в производственных полях. Ученые смогли обосновать и внедрить этот подход, хотя путь был трудным. Как я уже упоминала, П.П. Лукьяненко вывел сорта-чемпионы, которые занимали миллионы гектаров. Однако это однообразие в полях делало агрокультуры уязвимыми. И с озимыми, и с яровыми случалось так, что какой-нибудь фитопатоген преодолевал устойчивость сорта — и урожай терялся очень значительно, если не полностью. Тогда пришли к выводу, что сорта в полях должны быть разными. Их не перемешивают, а высевают отдельно, но это именно набор сортов с разными генами устойчивости. Мы не можем предсказать, какой фитопатоген мутирует и преодолеет генетическую защиту сорта. К тому же невозможно собрать все лучшие гены устойчивости в одном сорте — для этого нужны энергозатраты клетки, а запасов энергии не хватит на все сразу.

Кроме того, сорта пшеницы в мозаике дифференцированы по срокам развития. Есть фазы, когда растения более толерантны к засухе или проливным дождям, а есть периоды, когда они чувствительны. Поэтому если в наборе у фермера есть сорта, различающиеся по скорости перехода из одной фазы развития в другую, урожай его производственных полей в совокупности защищен от сюрпризов погоды. Снижение урожая одного сорта компенсируется продукцией от сортов, которые в момент погодного катаклизма были на более удачном этапе развития.

Таким образом, теперь мы смотрим не на успех отдельного сорта, а на успех совокупности сортов, которые высеваются. В непредсказуемых условиях окружающей среды одни сорта могут пострадать, но другие точно выстрелят. Такой набор гарантирует, что средний урожай будет иметь хорошие показатели.

Сегодня к этому подходу присматриваются не только производители пшеницы, но и специалисты, работающие с другими культурами.

— Резюмируя: продовольственная безопасность России по растительным культурам находится на достаточном уровне?

— Конечно. Даже когда мы слышим о сохраняющейся импортозависимости по некоторым культурам, нужно понимать: не хватает семян для того объема продукции, который нужен для экспорта. Для того чтобы прокормить население, всего хватает. Но экспорт отбрасывать нельзя — это дополнительная статья экономики, за счет которой можно поддерживать другие дефицитные направления.

Можно быть уверенными: при наличии специалистов, научных школ и центров — от ВИР с его коллекцией до многочисленных селекционных институтов — система работает. Сейчас налаживается семеноводство, ранее бывшее проблемной сферой. Те, кто работает в реальном секторе, начали инвестировать в собственное семеноводство, а не только закупать семена за рубежом.

Разумеется, всегда есть что улучшать. Селекционеры вместе с сортом предлагают технологии ухода: подробные рекомендации, как сеять, чем обрабатывать. Но фермеры не всегда полноценно их используют, думают: «Здесь сэкономлю, удобрений добавлю поменьше». Из-за несоблюдения рекомендуемых технологий иногда страдает урожай, а часто и качество. Наверное, здесь вопрос не в ученых и не в фермерах, а в том, чтобы доработать систему регулирования и стимулирования так, чтобы возникла мотивация получать не просто как можно больше центнеров с гектара, но урожай высокого качества.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ