Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйства (СПбНИИЛХ) работает над созданием супердеревьев, которые могут быстро расти, выживать в неблагоприятных условиях и иметь улучшенные качества древесины в зависимости от того, что нужно человеку. Первые растения должны появиться уже в новом году.

Изменить гены

Создание улучшенных деревьев при помощи геномного редактирования – новая веха в лесном хозяйстве. Усилив или, наоборот, ослабив тот или иной участок генома растения, ученые могут изменить его качества: например, сделать более пышную крону или придать ей определенную форму, уменьшить количество шишек и сучьев, увеличить или уменьшить плотность древесины, сделать устойчивым к болезням и паразитам – и это не предел. Такой искусственной мутации можно подвергнуть любой вид дерева – это одно из направлений, которое сейчас развивает СПб НИИЛХ. В институте создана большая лаборатория, где проводят исследования и уже выращивают первые растения.

«Одно и то же растение в разных условиях может развиваться по-разному. Представим, что одно семечко попало в плодородную землю, второе – в песок. В первом случае через 100 лет вырастет 40-метровая сосна, во втором – 4-метровая сосенка, потому что чем беднее почва и хуже условия, тем меньше и тоньше дерево. Если изучить геном растения, можно понять, за счет каких его участков оно подстраивалось под эти условия. Какие-то участки отвечают за скорость роста, какие-то – за устойчивость к засухе, избытку влаги и так далее. Зная, какой участок за что отвечает, мы можем его стимулировать или подавить и тем самым добиться каких-то заданных свойств», – рассказал замдиректора СПб НИИЛХ Александр Степченко.

Например, для целлюлозно-бумажной промышленности нужно, чтобы в древесине было меньше лигнина (связующее вещество. – Прим. ред.), сейчас с ним борются химическими способами. Если изменить ген, отвечающий за формирование этого вещества, то вырастет дерево, идеальное для перерабатывающих предприятий. 

Важный момент – ученые не вносят в ДНК деревьев чужеродные гены, не скрещивают между собой разные виды растений. Это не создание генно-модифицированных организмов или принципиально новых видов. Геномное редактирование, по сути, воспроизводит мутации, которые могли случиться в природе и повлиять на какие-либо признаки растения. Это значит, что если ученые, например, вмешаются в геном сосны, то на выходе будет та же сосна, просто с более плотной древесиной или, наоборот, более рыхлой, в зависимости от того, для каких целей она создавалась.

Подсмотрели у природы

Селекция в лесном хозяйстве проводилась и раньше, но это длительный цикл, занимающий, в зависимости от вида дерева, десятилетия. Это так называемый классический метод, когда специалисты отбирают в лесу самые лучшие деревья, из их семян создают лесные плантации, ждут, когда появятся первые сеянцы, наблюдают, передались ли им от «родителей» желаемые качества. Если это подтвердится, то от семян, полученных от «детей», создают плантации второго ряда, где уже выходят деревья с улучшенными свойствами. То есть это очень долгая кропотливая работа.

«Классическая селекция деревьев занимает до 30 лет, а с применением геномных технологий мы проводим селекцию за 3-4 года. Например, геномная селекция позволяет нам сопоставить профиль ДНК с фенотипическими признаками, построить статистические модели и отобрать те растения, которые будут проявлять наилучшие качества вне зависимости от среды. Или методом геномного редактирования мы можем сломать какой-нибудь ген или воспроизвести мутацию, которая произошла бы в природе, но там она бы длилась 50-100 лет, а мы сокращаем этот процесс до 1-3 лет. Многие механизмы, которые используем, мы подсматриваем у природы. В США, например, для целлюлозно-бумажной промышленности используют растения со сломанным геном, которые нашли случайно в естественной среде. Их скопировали и воссоздали на плантациях. Но одно дело найти и скопировать, другое дело – понять, что конкретно в геноме отвечает за желаемое качество, как это работает, и очень аккуратно воссоздать, ускоряя природный процесс», – пояснил научный сотрудник исследовательской лаборатории СПБ НИИЛХ Владимир Волков.

Деревья-клоны

Первые улучшенные растения в пробирке в НИИ должны получить в следующем году. Сначала их пересадят в теплицы, затем – в природные условия, где продолжатся наблюдения. При этом важно, чтобы деревья-мутанты «не ушли» с плантаций в леса и не начали там размножаться естественным образом, поэтому ученые сделают их стерильными.

«Представьте дерево, которое не подвержено вредителям и болезням и растет в 3 раза быстрее других. Если оно попадет в лес, через какое-то время заместит все другие деревья на планете. Этого ни в коем случае нельзя допустить. Поэтому для начала нужно получить стерильное растение, которое не сможет давать потомство и выйти за пределы зоны вырубки. И мы уже выявили участок гена, который отвечает за воспроизводство», – пояснил Александр Степченко.

Улучшенные деревья будут плодить при помощи микроклонального размножения, когда из части растения создается огромное количество его точных генетических копий. Говоря простым языком, это будут не просто супердеревья, но еще и деревья-клоны. Трудно поверить, но будущее уже практически здесь.

«Мы можем взять какой-нибудь дуб, который посадил, например, Петр I, воссоздать сколько угодно копий именно этого дерева и посадить их в разных частях города. Наверное, это будет интересно с исторической, эстетической точек зрения. Но все-таки наша задача – дать возможность заготавливающим компаниям получить леса с максимально качественным посадочным материалом, с высокой скоростью роста, с хорошей устойчивостью к болезням и высочайшим качеством древесины. Данный процесс более сложен, потому что этим практически никто не занимался с точки зрения генетики», – рассказал директор СПБ НИИЛХ Павел Рыченков.

Разработки санкт-петербургского НИИ лесного хозяйства могут быть актуальны и для климатических проектов. В конце октября российское правительство утвердило новую стратегию низкоуглеродного развития страны, в которую вошли меры по сохранению и увеличению поглощающей способности лесов. Для этого может понадобиться создание быстрорастущих насаждений с большими кронами для большего поглощения углекислого газа.

В этом тоже может помочь геномное редактирование.

Справка

Один из широко известных примеров созданной природой мутации – это карельская береза. Помимо причудливого внешнего вида она обладает высокой прочностью. Или триплоидная осина, которая за счет генетических изменений еще и растет в 2-3 раза быстрее, чем ее обычные собратья, и обладает устойчивостью к сердцевидной гнили.

Кстати

Когда дерево стареет и начинает умирать, оно само выделяет углекислый газ. Все старые леса выдыхают кислорода меньше, чем поглощают. Поэтому важно их своевременно вырубать. Так родилось выражение: рубка – синоним лесовосстановления.