Представьте хвойный лес. Тысячи деревьев. И все они клоны, копии одного-единственного дерева. А еще эти клоны выведены из криозаморозки. Настоящая криоконсервация и клонирование. Чем не сюжет фантастического фильма. Однако для красноярских биологов это реальность. О том, как ученые претворяют в жизнь сюжеты из научной фантастики, рассказали главный научный сотрудник доктор биологических наук Ираида Третьякова и научный сотрудник Мария Пак, обе работающий в лаборатории лесной генетики и селекции Института леса им. Сукачева СО РАН.

Лабораторный лес

Не секрет, что леса — это сырьевой ресурс, который легко уничтожается и долго восстанавливается. Каждый раз, когда промышленности нужна древесина, приходится жертвовать лесом и вековой экосистемой.

Но что, если не пускать технику в естественные леса, а вырастить деревья на плантациях. Взять от природы самое лучшее и размножить в лаборатории, чтобы обеспечить экономику и не разрушать при этом дикий лес. Такую возможность предлагают ученые Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН – одного из подразделений Красноярского научного центра СО РАН.

Хвойные в лаборатории размножают в Швеции, Новой Зеландии, Канаде, Франции, Финляндии, Германии и Китае. Проще и дешевле клонировать деревья на специальных плантациях, чем вырубать, а потом восстанавливать леса. В России в 2008 году в ИЛ СО РАН были получены первые клонированные культуры лиственницы. Сейчас в коллекции института 42 клеточные линии лиственницы сибирской, четыре линии сосны сибирской кедровой и три — ели сибирской. Метод получения таких культур — это одна из разработок красноярских ученых, которая к тому же защищена патентом.

Космический отбор

Ученые клонируют далеко не первое попавшееся дерево. К выбору кандидата подходят так, будто набирают космонавтов в полет на далекие планеты. Деревья должны быть сильными, здоровыми, устойчивыми к заболеваниям и стрессам, будь то долгая засуха, нападение насекомых-вредителей или бактерий. Такая строгость необходима для того, чтобы клоны не погибли при выращивании и стали крепкими деревьями с превосходными качествами.

Одна клетка вместо тысяч семян

В лаборатории на стеллаже стоят сотни крошечных ростков. Настоящий мини-лес из клонов сибирской лиственницы под искусственным «солнцем» светильников. Но начинается все с клетки. В основе метода получения клонов — соматический эмбриогенез, природное явление, освоенное биотехнологией. Это бесполое вегетативное размножение растений, основанное на способности кусочка растения вспомнить, что он часть целого дерева, и при правильных условиях вырасти в дерево заново. В каждой клетке спит полная инструкция по сборке целого организма. В природе так работает, например, с веточкой, которую воткнули в землю, и она дала корни.

В лаборатории ученые берут у деревьев, что ранее прошли отбор, крошечный кусочек ткани, буквально 2–4 миллиметра, и помещают в питательную среду в чашку Петри. Там биологи создают условия, при которых у вегетативной клетки «пробуждается» записанная программа и она начинает развиваться как зародыш, такой же, как в семечке.

Из таких клеток специалисты создают популяцию клеток, которые делятся и размножаются без остановки. Их можно переселять в свежую питательную среду, и они продолжают расти. Получается практически бесконечный источник соматических зародышей. Из одной клеточной линии в год можно получить 3,5 килограмма эмбриогенной массы. Это до одиннадцати тысяч начальных зародышей на один грамм и чуть более тысячи зрелых зародышей с того же грамма. В одной клетке буквально спрятан целый лес. С помощью такой технологии можно проводить масштабное размножение хвойных видов с хорошими характеристиками.

Замороженные эмбрионы

Делящиеся эмбриогенные линии сохраняют свою активность в течение двух лет. Но что, если этот срок можно продлить? На помощь снова приходят технологии, знакомые по научной фантастике. Криоконсервация. Специалисты используют «морозильные контейнеры» для консервирования эмбриогенных линий. Процесс очень простой, отмечают ученые, а процент восстановления зародышей «изо льда» довольно высокий. При криоконсервации в течение 22 лет удалось восстановить 95% клеточных линий.

Параллельно ученые используют и геномную селекцию. Она позволяет спрогнозировать внешние признаки и характеристики дерева, такие как высота, толщина ствола, форма кроны, устойчивость к засухе, засолению, морозам или болезням. Все внешние проявления, заложенные в генах. С помощью геномной селекции можно по кусочку ткани на очень ранней стадии, без долгих полевых испытаний, понять, каким будет дерево через десять или двадцать лет. Благодаря этому удастся сократить сроки сортоиспытания в рамках программ лесоразведения.

Мутанты и другие проблемы

У любой клональной технологии есть ахиллесова пята — это генетическое однообразие. Если вырастить целый лес из одного клона, он окажется беззащитным перед новым вирусом или вредителем. Второй риск — накопление мутаций при долгом выращивании клеток в пробирке, использовании гормонов и стимуляторов роста. В норме у лиственницы 24 хромосомы, но ученые отмечали, что иногда в культуре появляются клетки с 13, 22 или 25 хромосомами. В результате теряется генетическая идентичность клона, и он перестаeт быть точной копией исходного растения с ценными признаками.

Специалисты проверили, насколько часто случаются такие генетические сбои и стоит ли их опасаться. Хорошая новость: у лиственницы сибирской геном оказался достаточно стабильным. Геномные мутации случаются редко, частота аномалий не превышает 10%. Это значит, что эмбриогенные клеточные линии сохраняют стабильность долгие годы и могут успешно использоваться для плантационного выращивания леса.

Тем не менее биологи решили, что культурам нужен «Большой брат». Для успешного размножения хвойных растений с помощью соматического эмбриогенеза необходимо проводить регулярный контроль эмбриогенных культур, выявлять генетические нарушения и «отбраковывать мутантов».

Вопрос биоразнообразия тоже удается решить. Чем большее количество деревьев участвует в клонировании, тем ниже риск потери генетического разнообразия. Специалисты уточнили, что достаточно 10–20 сортовых деревьев, чтобы все работало как часы. Такое количество гарантирует сохранение важных генов и отвечает за большую часть наследственных признаков. К тому же к клонированию допускаются только здоровые деревья, те самые «космонавты», поэтому их клоны изначально более устойчивы к болезням и вредителям.

Фабрика деревьев

Как именно из клетки получается лес? Процесс соматического эмбриогенеза у хвойных проходит пять этапов. Сначала соматические клетки помещают в среду с гормонами, где они начинают делиться, удлиняться и берут курс на превращение в зародыш. Клетки сидят в этой среде чуть больше месяца, 30–45 дней. Далее в клеточном «супе» формируется эмбриогенная ткань, в которой проходит активное образование соматических зародышей. После этого их переносят на среду с другим «гормональным коктейлем», где зародыши созревают. После созревания зародыши переносят в среду без гормонов, где они прорастают 5–8 недель, у них появляются корни и семядоли — самые первые листики. Это уже молодые, но еще хрупкие сеянцы. Чтобы адаптировать их к будущим условиям вне лаборатории, сеянцы пересаживают в горшочки и дают им окрепнуть в камере роста в течение 3 месяцев. Именно на этом моменте мы и поймали их в самом начале при входе в лабораторию. Весь цикл занимает 4–9 месяцев. И опять процесс похож на главу научно-фантастической книги. Словно подготовка колонизаторов для заселения новых планет, адаптация к новым, непривычным и, вероятно, суровым условиям. И не каждый сеянец проходит этот отбор. Некоторые не справляются со сложностью условий.

Когда клонированные растения достигают 2–3 сантиметров с хорошими корнями, они готовы к высадке в теплицу. Там саженцы проводят еще год, где за ними следят специалисты: регулярный уход, полив и борьба с сорняками. Это перевалочный пункт на пути. Следующий шаг — «выход в открытый космос», посадка в почву лесного питомника.

Высадка

Первые клоны уже 14 лет успешно растут в условиях лесопитомника в экспериментальном хозяйстве «Погорельский бор» ИЛ СО РАН. Деревья здоровы и их не трогает такой вредитель, как лиственничная почковая галлица, обычно деформирующая почки лиственниц и наносящая им существенный вред. Но самое примечательное, что темп роста клонов почти в полтора раза выше, чем у деревьев, полученных из семян. Они интенсивно растут, и высота семилетних клонов достигала двух метров. В возрасте семи лет у них появились генеративные органы размножения, которые в следующем году превратились в шишки. Что, как отметили ученые, было сверхрано для лиственниц. Так, в восьмилетнем возрасте клоны дали собственные семена.

Технология плантационного лесовыращивания, основанная на соматическом эмбриогенезе, имеет ряд преимуществ перед обычным семенным. Она обеспечивает растениям более интенсивный рост, по сравнению с полученными из семян; деревья отличаются превосходным качеством древесины и способны быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды, в том числе к изменению климата за счет выведения устойчивых и адаптированных к конкретным факторам среды сортов. Данная технология может быть успешно реализована в крупномасштабном коммерческом производстве. При этом генетически тестированные линии деревьев с супербыстрым ростом, идеальной древесиной и иммунитетом к болезням можно долго хранить в криозаморозке. И в любой момент разморозить, вырастить тысячи саженцев и заложить плантацию, которая даст урожай в два раза быстрее обычной. Теперь эта технология есть и в России. Специалисты отмечают, что в дальнейшем ее можно будет расширить и на другие виды хвойных деревьев.

В тексте представлены результаты многолетних исследований, которые были поддержаны грантами различных фондов. Поддержка последней работы осуществлялась Российским научным фондом и Красноярским краевым фондом науки (проект № 22-14-20008).