ДИАС

П.П.Лукьяненко, В.Н.Ремесло, В.Н.Мамонтова, В.С.Пустовой, М.И.Хаджинов.

Достаточно назвать еще несколько фамилий, и список «звезд» отечественной селекции будет исчерпан. А ведь успехи российской селекционной науки неоспоримы. У нас в саране плодотворно работают сотни научных учреждений соответствующего профиля, и в каждом целые отделы и лаборатории непосредственно заняты выведением сортов и гибридов. Почему же лишь отдельные ученые добиваются выдающихся достижений? В чем особенность их научного поиска, приводящего к замечательным открытиям?

Видимо, ответ на этот вопрос может дать лишь тщательное изучение, скрупулезный анализ творческого метода ученого. Причем результаты такого исследования, чтобы широкие круги специалистов могли взять их на вооружение, должны быть выражены на языке науки: формул, закономерностей, графических зависимостей, количественно измеряемых характеристик.

Подобную задачу поставили перед собой два биолога, заведующие лабораториями: В. А. Драгавцев из Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН и А. Б. Дьяков из Всесоюзного научно-исследовательского института масличных культур. Они решили проанализировать научный метод В. С. Пустовойта, вместе с которым А. Б. Дьяков трудился многие годы. Началась сложная, необычная по постановке и целям изыскательская работа. Наука о науке — так можно было бы назвать ее главную тему.

Прежде всего исследователи задали себе вопрос:

связаны ли достижения творца уникальных сортов подсолнечника с генетической изученностью объекта?

И пришли к совершенно определенному выводу — нет. Селекционер увеличил содержание масла в семенах культуры в 2,5 раза, практически не располагая информацией о генетике масличности (она, кстати, и сейчас изучена довольно слабо). Тогда что же выручало его? Как он, принимаясь за очередной сорт, в возникающем после скрещивания гибридном материале находил именно те особи, которые сулили успех? Ведь обычно они ничем не примечательны среди остальных. Нередко на ранних этапах селекции полезные признаки «закрыты» другими — второстепенными. К тому же волею случая претенденты могут вообще не проявить своих способностей. Ну, скажем, их неудачно посеют или они попадут в слишком мокрое или сухое место поля, словом, при любых неблагоприятных условиях растения внешне окажутся непривлекательнее соседних. А ученый при свойственной нынешней селекции глазомерной оценке выбирает, разумеется, особи «по одежке». Как же — и безошибочно! — выходил из положения В. С. Пустовойт?

Изучение архива ученого показало, что блестящих результатов он стал добиваться, когда в главный признак отбора возвел не урожайность, не размер семян, а показатель вроде бы второстепенный — отношение веса лузги к общему весу семянок, которое чем меньше, тем для сорта лучше. Почему? Очень просто: при неизменном весе семянок уменьшение доли лузги равнозначно росту числа клеток ядра. А они-то, эти клетки, и накапливают масло!

И вот на что обратили внимание В. А. Драгавцев и A. Б. Дьяков: если значения двух подмеченных признаков расположить между осями координат, то соединяющие их линии окажутся взаимно перпендикулярными. Зато графики большинства других признаков — как полезных (к их воплощению селекционер и стремится), так и фоновых (увы, они обязательно присутствуют в живой системе, именуемой растением) — с той же линией нарастания лузжистости перпендикуляра не образуют. Видите, сколь безошибочен был выбор В. С. Пустовойта! Развивая идею академика, B. А. Драгавцев и А. Б. Дьяков уже чисто генетическим анализом установили: у подсолнечника есть еще одна определяющая «связка» — вес ядер семян и длина сухого стебля. Оказалось, что их графики тоже взаимно перпендикулярны. Причем ситуация повторилась: первый признак — важный селекционный, второй — фоновый.

Тем, кто создает новые сорта, выявленные закономерности могут дать в руки путеводную нить. Ибо стоит нащупать подобные связи, то есть снять с получаемого ими гибридного материала случайные «шумы», как эффект отбора повышается в… 600—1000 раз! И тогда добросовестный исследователь, а не только «звезды», вправе рассчитывать на успех в селекции. Но не слишком ли смел и поспешен вывод? Проверить его на практике помогли реальные запросы сельскохозяйственного производства.

…С конца 40-х годов в Западной Сибири долгое время не появлялись пшеницы, приспособленные к местным условиям, хотя над их созданием трудились научные центры, селекционеры. Лишь в 1974 году на поля вышла Новосибирская 67, рожденная действием ионизирующей радиации (мутагенный фактор) на сорт, выведенный еще в 1941 году. Но на создание «шестьдесят седьмой» ушло 16 лет! Понятно, ни ученых, ни производственников такие темпы не устраивали. Директор Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН академик Д. К. Беляев настаивал на принципиально ином подходе к делу: чтобы ускорить процесс, надо исключить из него случайности, предлагать для селекции только действительно перспективное, отказаться от принятого при конструировании растений метода интуитивного отбора. В коллектив, которому предстояло воплощать в реальность свои планы, Д. К. Беляев пригласил В. А. Драгавцева — ведь тот настойчиво искал, как селекцию из искусства превратить в точную науку. В работе приняли участие также группы ученых ряда сельскохозяйственных учреждений, и вот в ноябре 1972 года родилась программа ДИАС.

Ее начальной базой стала работа В. А. Драгавцева и Б. А. Дьякова по изучению опыта В. С. Пустовойта. Это вполне объяснимо: подсолнечник как растение подчиняется тем же биологическим законам, что и пшеница. И правда, если скрестить два ее сорта со стеблями одинаковой длины, то у потомства высота соломины будет зависеть от конкретных условий среды. Следовательно, речь идет о фоновом, точнее, о фенотипическом признаке. Другое дело — вес зерна в колосе; у каждого из тех же «родителей» он свой, а потому их дети по-разному воспримут селекционный, или, правильнее, генотипический признак. Но длина-то стебля в глаза бросается сразу, и измерить ее несложно! Определять же вес зерна куда хлопотнее. Вывод? Процесс конструирования растений упростится и пойдет быстрее, если генотип определять по фенотипу.

Однако как «выудить» именно тот фенотипический признак, который наиболее полно отвечает за интересующий нас генотипический? Ведь их даже в одном сорте — считать да считать, а для выведения нового необходимо вовлечь в скрещивание от двух до полутора десятков исходных форм. Следующая сложность: мягкая пшеница имеет двойной набор хромосом. И у любого сорта они отличаются друг от друга по форме и величине до той поры, пока не произошло слияние «отцовского» и «материнского» начал — спаренные хромосомы схожи между собой, как близнецы. Причем любой ген в первой хромосоме имеет «двойника» во второй. И оба отвечают за один и тот же признак. Так вот, находясь, как говорят специалисты, в таком аллельном состоянии, каждый из этих генов в зависимости от комбинации сложных органических веществ по отношению к другому выступает то «начальником», то «подчиненным». Значит, при гибридизации — хочешь или нет — приходится не только соединять каждый сорт с каждым, но еще любой из них должен выступить в роли и матери, и отца. Сколько ж времени надо на такую работу! Правда, «пшеничникам» чуть-чуть повезло: на самые интересные для них признаки «работают» по два аллеля. Отсюда и взятое на вооружение сибиряками диаллельное скрещивание — сокращенно ДИАС.

Впрочем, и в этом случае труда и времени понадобилось бы невпроворот, не приди к биологам помощь из мощнейшего Вычислительного центра в Новосибирске.

Для начала ученые среди огромного разнообразия пшениц отобрали 15 яровых сортов — из Канады, США, Индии, Швеции, Поволжья, ну и, разумеется, Сибири. «Родословную» их проверяли тщательнейшим образом, чтобы не было в ней «темных пятен», чтобы для суровых условий зауральских просторов каждый нес хотя бы единственное ценное свойство. Затем изучили метеоданные за два предыдущих года, к полученным сведениям прибавили результаты анализа почв и на этой основе наметили несколько наиболее характерных для региона опорных пунктов — от Омска до Бурятии. А весной 1974 года на каждом из них посеяли по четыре абсолютно идентичных набора гибридных семян первого поколения. Осенью же 180 тысяч (!) собранных растений привезли в лабораторию В. А. Драгавцева и каждому «задали» одни и те же 16 вопросов (это позволяло набрать статистический материал, без которого перевести биологические параметры на язык математики нельзя). Ответы нанесли на перфоленты и ввели в ЭВМ.

И вот машина, производящая 6 миллионов операций в секунду, данные по Омскому опорному пункту обсчитала… за 2,5 часа. Более того. Ей — самой большой в Академгородке Новосибирска — не хватило памяти, и она постепенно стала отключаться от решения всех задач, не связанных с ДИАСом. Сотрудники вычислительного центра были не на шутку встревожены. Пришлось математикам создавать алгоритмы специально для генетиков, после чего данные с любого опорного пункта стали обрабатываться всего за 4 минуты. Позже родились алгоритмы, устанавливающие связь между генетическими и экологическими признаками. В итоге же на свет появился своеобразный «банк», где хранятся 8 миллионов различных признаков, характеризующих яровую пшеницу, которая может представлять интерес в условиях Сибири.

Так сплав генетики и математики стал селекционерам прочным фундаментом для направленного селекционного поиска. И верно, стоит в ЭВМ ввести сведения о каком-либо признаке, допустим, о величине соломины гибридного материала, и она, сравнив их с данными, заложенными в ее памяти, незамедлительно сообщит, не только какой из анализируемых образцов перспективен, но и почему — сколько генов в нем «сработали» на этот признак, доминантные или рецессивные они, как проявят себя впоследствии. То же самое и по остальным 15 признакам яровой пшеницы, взятым под контроль программой ДИАС. А сведя результаты всех измерений и анализов воедино, ученые получили то, о чем мечтали поколения селекционеров — технологическую карту создания будущего сорта. Как и всякая технологическая карта, она дает четкие рекомендации по осуществлению поставленной задачи.

Во всяком случае, теперь селекционерам нет надобности гадать, по какому из признаков, охваченных программой ДИАС, целесообразно вести работу в той или иной зоне Сибири (в Омске, например, уже закрыли продолжавшийся 12 лет поиск, направленный на развитие кустистости стеблей пшеницы: оказалось, он не сулит перспектив). И вот что очень важно: наконец-то появилась возможность оценить, какими именно полезными признаками и в каком конкретном сочетании одарит потомство любой из 15 сортов-родителей, апробированных В. А. Драгавцевым и его коллегами. Выявлены и генетические связи признаков: ныне уже известно, как сказывается изменение — усиление или ослабление — одного на других. Причем в разных комбинациях эти связи проявляются по-своему, и ученые заранее знают, каким именно образом. Короче, есть все условия для разработки оптимальной стратегии ускоренного создания новых яровых пшениц применительно к охваченному обследованием региону. Уже сейчас определены первые 50 кандидатов в пшеничные короли — лучшим из них в ближайшие годы суждено шагнуть на колхозные и совхозные поля Западной Сибири. Не случайно программой ДИАС заинтересовались ученые союзных республик, зарубежные специалисты.

«Наука сокращает нам опыты быстротекущей жизни»

Вложенные в уста царя Бориса, эти слова А.С.Пушкина можно отнести и к теперешнему этапу развития селекции. И, конечно, конструкторам растений помогают не только генетики, математики и кибернетики. Методы электрофизиологии, хроматографии, электронной микроскопии позволяют существенно ускорить отбор искомых форм. По листку всхода сегодня можно выяснить, устойчив ли к стеблевому мотыльку будущий гибрид кукурузы, по дольке пшеничного зерна оценить сопротивляемость сорта клопу-черепашке. Ленинградские иммунологи помогли узбекским ученым быстро распознать вилт хлопчатника: зараженные ткани светятся в ультрафиолете. В отличие от обычных сортов винограда филлоксероустойчивые содержат больше крахмала и некоторых аминокислот (цистина, фенилаланина, серина), но меньше моно — и дисахаров. Так ученые выявляют вполне определенные диагностические признаки реакции растений на грозящих им врагов. А это позволяет отбрасывать неустойчивые формы на самых начальных этапах селекции, существенно ускоряя создание иммунных сортов.

Найдены подходы к определению и высоты стебля у будущих злаков. У яровой твердой пшеницы — по длине колеоптиля: чем меньше этот пленчатый колпачок, прикрывающий ростовую почечку семени, когда она «пробуравливает» почву, тем короче окажется соломина. Иначе о том же «сигнализирует» яровая мягкая пшеница: у нее карлики по сравнению с великанами содержат больше окиси кремния. А для сортировки селекционных форм на сопротивляемость засухе кукурузу, пшеницу, ячмень проращивают на растворах сахарозы с высоким осмотическим давлением; о том же применительно к яровой пшенице можно судить по зародышевым корням: чем их больше, тем засухоустойчивее получится растение.

Одну из самых интересных методик — отбраковку селекционного материала при направленном создании сортов на качество зерна, сопротивляемость засухе, морозостойкость, продуктивность, иммунитет к болезням — предложила группа ученых Всесоюзного селекционно-генетического института (ВСГИ) во главе с академиком ВАСХНИЛ и АН УССР А. А. Созиновым. Речь идет об исследовании на уровне белковых молекул, о направленном биоконструировании сорта с заранее заданными признаками и свойствами.

Разумеется, и в этом случае, как и во всех остальных, определение тех или иных наследственных данных идет с той или иной степенью точности. Ибо соответствующая информация а зашифрована» в генах, а при современном состоянии науки «прочитать» такую запись нереально. Поэтому во ВСГИ был избран путь оценки косвенных данных. Каких?

Генетическая информация реализуется в синтезе тех или иных белков. Отсюда, естественно, возникла идея обнаружить, идентифицировать эти белки, чтобы через них получить сведения о гене или генах, которые их кодируют. Однако и впрямую распознать белки практически невозможно: в тканях растений их содержится более 10 тысяч — поди, разберись! Вот почему исследователи выдвинули гипотезу, согласно которой у всех сортов сельскохозяйственных культур, прошедших длительный интенсивный отбор, большинство белков и, следовательно, кодирующих их генов одинаково. В то же время существуют участки хромосом, определяющие хозяйственно значимые признаки. Значит, необходимо найти белки, кодируемые именно этими участками.

Важнейшим условием успеха послужило открытие: белки наследуются «сцепленно», блоками. Эти белки постоянны, и каждый связан с изменчивостью определенного признака: высокой или низкой морозостойкостью, качеством зерна и т. д. Найти и выделить такие сцепления впервые удалось австралийским ученым К. Шефферду и К. Ригли. Развивая их работу, во ВСГИ решили составить каталог белков, встречающихся в пшенице и ячмене. Помог в том электрофорез.

Дело в том, что любая разновидность белковых молекул имеет свой электрический заряд и отличается специфической подвижностью в электрическом поле. Выходит, если взять вещество определенного состава (крахмальный или полиакриламидный гель с добавленными в них мочевиной и алюминиево-лактатом) и на нем с помощью электротока разогнать запасные белки проламины, то последние совершенно четко разделятся на группы (похоже, как «дробится» луч света, проходя через призму, на гамму цветов). Это во-первых. А во-вторых оказалось, что определенный электрический спектр белков свойствен вполне определенному генотипу зерновой культуры, то есть носит ярко выраженный наследственный характер.

Благодаря такой закономерности можно отличить не только семечко пшеницы от ячменного или кукурузного, но даже рассортировать смесь зерен, допустим пшеницы, по сортам. Однако конструкторам растений нужен был абсолютно точный и, главное, быстродействующий метод определения потенциала гибридного потомства. Чем и занялась группа под руководством А. А. Созинова.

Исследования они повели на нескольких отечественных сортах пшеницы. Соединив их в разных сочетаниях, они получили около 30 тысяч несхожих между собой форм. Затем их зерна подвергли электрофорезу. И что же? Выяснилось: синтез запасных спирторастворимых белков у мягких пшениц идет под контролем шести хромосом — по две от каждого ее «прародителя» (дикой и культурной однозернянки, а также злака эгилопса). Кроме того, отдельно взятая хромосома отвечает за синтез сразу нескольких белков. Причем, как уже говорилось, все компоненты, контролируемые одной хромосомой, наследуются единым блоком. Таких блоков у конкретного сорта шесть, но собраны они во вполне определенном наборе, а потому электрофореграмма его является уникальной. Вывод?

Электрофореграмма — отображение генного состава данного злака. А раз так, то при скрещивании в последующих поколениях происходит перекомбинация хромосом и соответствующая ей перестановка запасных белков. Поэтому селекционер, еще не приступая к гибридизации, теперь может «на кончике пера» предвидеть возможные сочетания блоков компонентов белка. То есть вести работу не ощупью, не по наитию, а направленно, создавая формы с желаемым составом белка.

И еще достижение ученых ВСГИ. С помощью того же электрофореза они выяснили: кодируемые разными хромосомами блоки белка неоднозначно влияют на технологические свойства пшеницы. Наибольшее значение имеют те из них, синтез которых идет под контролем двух хромосом — 1А и 1В. Причем одни образующиеся с их участием блоки белка способствуют улучшению хлебопекарных качеств зерна, силы муки и так далее, появление же других отрицательно влияет на те же свойства.

И последнее достоинство метода. Он обладает такой отменной чувствительностью, что для анализа достаточно всего половинки зерна. Значит, вторую — с зародышем — селекционер может высадить в поле и получить растение с уже известными свойствами. Стоит ли говорить, насколько точнее, легче становится его работа.

Заманчивые перспективы сулит селекционерам метод культивирования отдельных клеток, пыльцевых зерен и протопластов (клеток, лишенных оболочки) на специальных питательных средах. Ибо только так удается получать гибриды между видами, которые обычным путем соединить невозможно (рожь или пшеницу с ячменем и т. д.). Или другой довод: окружающая среда постоянно и неоднозначно влияет на клетки, «складывающие» любое растение. Поэтому в некоторых из них могут произойти интересные для исследователей естественные изменения генома. Но подавленные жизнедеятельностью особи в целом, эти мутанты никак себя не проявляют. А стоит «раскрепостить» их, и, возможно, ученые найдут то, о чем пока лишь мечтают… Если же обобщать, то этот метод открывает «зеленую улицу» перед особым направлением биологии — клеточной инженерией.

Впрочем, подобных примеров сегодня уже накопилось много. Долог был бы рассказ о различных направлениях конструирования растений, о свершениях и Нерешенных проблемах, об удивительных перспективах селекции растений. Однако еще мудрец Козьма Прутков любил повторять: «Никто не обнимет необъятного». А потому читатель, наверное, простит некоторую недосказанность. Ибо цель можно считать достигнутой, если книга дает хотя бы общее представление о развитии Селекции (давайте назовем ее с заглавной буквы) — одной из самых интересных и сложных наук человечества.

А наука, как верно заметил французский мыслитель прошлого века Ж. Э. Ренан, «любит мозолистые руки и делает свои откровения только челу, изборожденному морщинами».