Введение

Растущие потребности цивилизованного человечества и развитие промышленности делают необходимым введение в практику новых растений.

Н. И. Вавилов

Рис. 1

Слова, взятые эпиграфом к этой книге, были написаны более полувека назад. Однако их значение со временем ничуть не уменьшилось. Пожалуй, теперь они звучат особенно актуально. Традиционные методы повышения урожайности сельскохозяйственных культур - скрещивание и селекция - за последние полвека значительно усовершенствовались. Методами традиционной селекции, обогащенными открытиями в области генетики и физиологии растений, создано немало выдающихся по урожайности и другим качествам сортов и гибридов интенсивного типа пшеницы, кукурузы, подсолнечника, кормовых трав, сахарной свеклы, риса и других основных возделываемых человеком культур.

Велико значение современной, особенно начала 60-х годов, селекции в борьбе с голодом: новые высокоурожайные культуры пшеницы и риса стали основным источником пищи во многих странах третьего мира. Главная роль принадлежит здесь американскому селекционеру Норману Борлоугу - создателю короткостебельных сортов пшеницы, позволивших резко интенсифицировать земледелие. Последующие совместные усилия международного сообщества ученых привели к радикальным изменениям технологии производства зерна. Возник даже термин "зеленая революция". И это не журналистская гипербола - ведь в результате внедрения новых сортов пшеницы и риса, перехода на интенсивные методы возделывания удается ежегодно дополнительно собирать 50 миллионов тонн зерна, позволяющих накормить 500 миллионов человек.

Рис. 2

В ряде стран успехи "зеленой революции" особенно впечатляют. Например, Индия, где голод был хронической болезнью общества, сегодня гордится тем, что может откладывать некоторую часть зерна про запас. Индонезия, всегда импортировавшая рис, теперь производит его в таком количестве, что хватает на экспорт. Но в то же время сотни миллионов людей в различных частях света не почувствовали на себе последствий "зеленой революции". Новые сорта зерновых культур проявляют свои высокоурожайные свойства только в условиях интенсивного земледелия, в сочетании с использованием пестицидов, химических удобрений, строительством ирригационных сооружений и применением современных сельскохозяйственных машин. Все это требует больших капиталовложений, поэтому последствия "зеленой революции" для различных регионов не одинаковы. Так, в ряде стран Азии и Ближнего Востока высокоурожайными сортами занято 36 процентов земель, отведенных для выращивания зерновых. В странах Латинской Америки и Африки этот показатель составляет соответственно 22 и даже 1 процент.

В июле 1987 года население Земли достигло 5 миллиардов. Еще через 13 лет оно перешагнет 6-миллиардный рубеж. По расчетам американского специалиста Э. Вульфа, только для того, чтобы поддержать производство пищи на нынешнем, далеко не всюду достаточном уровне, необходимо увеличить урожай зерна по сравнению с 1985 годом на 26 процентов. При этом для производства такого огромного количества пищи будет отводиться все меньше земли. Только в США около полумиллиона гектаров сельскохозяйственных угодий вытеснены домами, дорогами, промышленными предприятиями. Все больше площадей отводится под технические культуры, используемые в химической, фармацевтической и других видах промышленности. Вместе с тем к 2020 году, когда на Земле будут проживать почти 8 миллиардов человек, урожайность только зерновых должна превысить нынешнюю отметку на 56 процентов.

Рис. 3

Мировой опыт показывает, что количества удобрений, необходимого для получения урожая зерновых в 20 центнеров с гектара, недостаточно для урожаев в 40 - 60 центнеров и более. Потребуются совершенно иные объемы химических удобрений и пестицидов и их соотношения. Подсчитано, что при интенсивном земледелии пестицидов надо добавлять чуть ли не вдвое больше, чем удобрений. Увеличение масштабов использования и тех и других вызовет невиданное ранее загрязнение окружающей среды - почв, водоемов, воздуха - со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями для человека и всего животного и растительного мира нашей планеты. Уменьшение размеров посевных площадей, связанное с наступлением городов, и истощение естественного плодородия почвы требуют еще большей химизации земледелия, а это, в свою очередь, влечет за собой сдвиг экологического равновесия. Подобные проблемы человечеству до сих пор решать не приходилось.

Настоящая наука всегда идет впереди своего времени или, во всяком случае, в ногу с ним. Тем более это относится к нашему веку научно-технической революции. К началу 60-х годов физики и математики стали самыми популярными и уважаемыми людьми. О них писали повести и снимали фильмы. На них смотрели с надеждой и все чаще со страхом - мир наполнялся ядерным оружием и атомными электростанциями. В эти годы поэт написал: "Что-то физики в почете, что-то лирики в загоне"... Биологи явно стояли где-то рядом с лириками. Мало кто был способен предвидеть тогда, что последняя четверть века станет временем грандиозных перемен в биологии, с помощью которых будет решаться проблема голода, сопровождавшая человечество на протяжении всей его истории. А между тем переворот в биологии начался лет на 30 раньше, когда были получены первые убедительные доказательства того, что веществом наследственности является дезоксирибонуклеиновая кислота - знаменитая ДНК, присутствующая во всех живых организмах, главный компонент хромосом клеточных ядер. К началу 70-х годов ученые не только постигли тайны генов и разобрались, как регулируется их работа, они научились конструировать in vitro (в стекле) молекулы гибридных, или рекомбинантных, ДНК, объединяющих в себе гены, выделенные из самых различных организмов. Эти рекомбинантные ДНК стали вводить в клетки сначала микроорганизмов, затем животных. Чужеродные гены заработали в новых хозяевах, наделяя их новыми комбинациями признаков, никогда ранее в природе у них не встречавшимися. Так родилось еще одно направление генетики - генная инженерия. Она открыла возможность целенаправленно, по заранее продуманной программе создавать ранее не известные организмы.

А что же растения? Как применить генную инженерию к ним? Нельзя ли с ее помощью создавать новые сорта - высокоурожайные, сбалансированные по аминокислотному составу белков, устойчивые к холоду и засухе, не поражаемые многочисленными вредителями, технологичные в смысле возможностей машинного сбора урожая и не нуждающиеся (или, если быть реалистами, хотя бы меньше нуждающиеся) в химических удобрениях? Не много ли вы хотите? - спросит скептически настроенный читатель и, пожалуй, будет прав. Ведь весь предыдущий опыт человечества и особенно все усилия селекционеров нынешнего века были направлены именно на создание таких сортов. Не о таких ли сортах думал основатель отечественной селекции Николай Иванович Вавилов, когда организовывал целенаправленный сбор генетических ресурсов растений в "горячих точках" планеты. За миллионы лет эволюции там возникли центры, откуда произошли все многочисленные формы существующих ныне на Земле культурных растений. Черпая из этих "кладовых природы" формы, сочетающие ценные и нежелательные признаки, скрещивая их для того, чтобы сохранить в потомстве первые и по возможности отсечь вторые, селекционеры смогли создать многие замечательные сорта. Достаточно назвать Безостую 1 П. П. Лукьяненко, выведенную почти 40 лет назад, но не потерявшую своего значения и сегодня. Этот сорт озимой пшеницы стал, в свою очередь, родоначальником серии новых, более современных сортов.

Но все же, как ни много дают успевшие стать классическими подходы - отдаленная гибридизация, получение полиплоидов, гетерозис и другие - далеко не все им под силу. И слишком медленно идет дело - ведь даже в случае явного успеха в конце пути на создание нового сорта уходит 10 - 15 лет. Генная же инженерия, преодолевая поставленные природой межвидовые барьеры, может в сравнительно короткий срок целенаправленно изменять уже существующие растения. Для этого нужно найти источники подходящих генов, причем не обязательно в растениях, научиться вводить рекомбинантные ДНК в растительную клетку и суметь вырастить из нее целое растение, способное передавать введенный новый ген потомству.

Генная инженерия растений быстро стала составной частью современной сельскохозяйственной биотехнологии - нового и очень перспективного направления промышленного производства и переработки продуктов растительного и животного происхождения. Своим нынешним стремительным развитием биотехнология в растениеводстве обязана созданию принципиально новых методов практического использования клеток и тканей растений. Их научились выращивать в больших количествах в лабораторных и производственных условиях и изменять в желательном для нужд сельского хозяйства направлении. Созданы эффективные клеточные технологии, позволяющие осуществлять быстрое размножение генетически однородных ценных сортов и линий растений; оздоравливать растительный материал; повышать эффективность отдаленной гибридизации растений; отбирать на клеточном уровне ценные формы и регенерировать из клеток и тканей зрелые, способные давать потомство растения. На основе этих технологий в нашей стране уже получен ряд новых линий и сортов растений с хозяйственно ценными признаками. Так, с помощью новых методов клеточной технологии, которую часто называют клеточной инженерией, ученым Всесоюзного селекционно-генетического института в Одессе удалось за 4 - 5 лет создать два новых сорта ячменя, отличающихся высокой продуктивностью и повышенной устойчивостью к полеганию, засухе и некоторым заболеваниям. С помощью традиционной селекции на это потребовалось бы вдвое больше времени. В ряде институтов страны сочетанием разнообразных клеточных технологий и селекционных методов были получены перспективные линий риса с повышенным содержанием белка в зерне, солеустойчивые формы люцерны, устойчивые к гнилям линии подсолнечника и картофеля и многие другие перспективные формы растений.

Биотехнология на нынешнем этапе своего развития существенно облегчила и ускорила селекционный процесс, дала селекционерам возможность из большого числа вариантов выбрать генотипы с оптимальным сочетанием нужных, признаков. Важно, что отбор при этом идет уже на самых ранних стадиях развития растения. Объединение клеточных технологий с генетикой, включая самые современные методы молекулярного анализа геномов, помогает селекционерам еще успешнее проявить свои интуицию и талант, чтобы в значительно более короткие сроки создавать новые сорта, отвечающие требованиям не только сегодняшнего, но и будущего растениеводства. И все же, как ни значительны возможности, открывшиеся в связи с созданием и применением клеточных технологий, однако без генной инженерии растений современную сельскохозяйственную биотехнологию представить нельзя. Основными инструментами селекционной работы еще совсем недавно были внутри- и межвидовые скрещивания, получение полиплоидов (организмов с увеличенным набором хромосом), гетерозисных и редких ценных мутантных форм, возникающих спонтанно либо при действии на растения физических и химических факторов с мутагенной активностью. С появлением клеточных технологий возможностей получения исходных форм для дальнейшей селекционной работы стало несравненно больше. Генная инженерия, открывшая путь для введения в различные организмы новых генов в виде препаратов изолированных ДНК, позволила ставить и решать доселе нереальные задачи.

Опыт, накопленный молекулярной биологией, молекулярной генетикой и генной инженерией при работе с более простыми живыми системами - бактериями и вирусами, очень пригодился для изучения растительных генов. Стало понятно, как устроены многие из этих генов, как регулируется их работа, что заставляет определенные гены работать на разных стадиях развития растения. Генная инженерия позволила вносить желательные изменения в строение ряда генов, в результате чего под их контролем синтезируются более ценные растительные белки, придавать растениям нужные признаки (например, сделать их устойчивыми к гербицидам, насекомым либо загрязнениям окружающей среды), используя гены не только самих растений, но и других живых организмов, скажем, бактерий или животных.

О подобных сочетаниях генетического материала различного происхождения в одном организме не могли мечтать ни традиционная селекция, ни даже технически разнообразно вооруженная клеточная инженерия. Действительно, генная инженерия необычайно обогатила арсенал средств сельскохозяйственной биотехнологии. По данным американских футурологов сочетание генной и клеточной инженерии с традиционной селекцией должно обеспечить через десять лет более чем двукратное повышение продуктивности растениеводства по сравнению с уровнем начала 80-х годов. Около трети этого прироста будет достигнуто непосредственно за счет технологии рекомбинантных ДНК. И это при том, что генные инженеры растений имеют дело только с изученными растительными генами, доля которых не превышает 0,5 процента от среднего количества генов каждого данного организма. На деле речь идет лишь о нескольких десятках генов. Для сравнения заметим, что у многих видов микроорганизмов - бактерий, вирусов, дрожжей и других, сравнительно давно попавших в круг объектов молекулярной генетики и генной инженерии, изучены тысячи генов. Примерно те же соотношения характеризуют уровень наших знаний об элементах, регулирующих работу отдельных генов, и о векторных системах, с помощью которых чужеродные гены можно "забросить" к новым хозяевам и заставить эффективно в них работать.

Цель этой книги - рассказать о принципах и методах генной инженерии растений, ее уже состоявшихся достижениях и планах на будущее. Этой, пожалуй, самой молодой ветви биологии всего 5 - 6 лет. Но за столь короткий срок она прошла путь от первых модельных лабораторных опытов до создания новых ценных форм растений. Столь бурное развитие не есть собственно заслуга самой генной инженерии растений. Успех был бы невозможен, если бы в предшествующие рождению генной инженерии растений годы не сформировался базис знаний в области генетики, молекулярной биологии, физиологии и биохимии. На этом фундаменте выросло здание генной инженерии. Его строители - талантливые ученые из разных стран мира, потому что, как говорил А. П. Чехов, "национальной науки нет, как и нет национальной таблицы умножения". Это глубоко чувствовал и Н. И. Вавилов. Он писал: "Ученый всегда должен быть над глобусом. Должен видеть и знать все, что делается на земном шаре".

К сожалению, пока, рассказывая о генной инженерии, приходится называть значительно чаще фамилии иностранных, чем советских, ученых и употреблять много пришедших к нам извне терминов. Этот явный перевес отражает истинное положение дел, сложившееся в нашей стране с генетикой вообще и с генной инженерией растений в частности. Причина кроется в том, что до сих пор не удалось в полной мере оправиться от огромного ущерба, который понесла генетика и некоторые другие биологические дисциплины в годы монопольного хозяйничания в биологии Т. Лысенко и его подручных. Прикрываясь флагом "мичуринского учения", они организовали травлю многих ученых-генетиков. Известно, что организационный разгром генетики как науки и физическое истребление ее лучших представителей проводились в течение почти двух десятилетий с середины 30-х годов до середины 50-х. К концу 30-х годов жертвами произвола, помимо Н. И. Вавилова, стали многие выдающиеся генетики и деятели сельскохозяйственной науки. Среди них президент ВАСХНИЛ А. И. Муралов, вице-президенты Н. М. Тулайков и Г. К. Мейстер, крупнейший специалист по изучению структуры и функций хромосом Г. А. Левитский, один из основателей генетики человека и медицинской генетики С. Г. Левит, блестящие экспериментаторы И. И. Агол, Н. К. Беляев, Л. И. Говоров, Г. Д. Карпеченко и десятки других талантливых ученых.

Кульминацией мракобесия "лысенковцев" стала печально знаменитая августовская сессия ВАСХНИЛ 1948 года, которая окончательно оторвала советскую генетику и селекцию от поступательного движения мировой науки. Были разогнаны коллективы, известные своими первоклассными работами, многие ученые, а среди них и люди с мировым именем либо оставались без работы, либо должны были срочно переключаться на какие-то иные направления биологических исследований. По существу, в нашей стране прекратилось преподавание генетики. Выросли поколения биологов, в том числе селекционеров, для которых "вейсманизм - морганизм - менделизм" оставался лишь "продажной девкой империализма" и "буржуазной лженаукой". До 1965 года, когда с "лысенковщиной" было по крайней мере формально покончено, генетика продолжала оставаться "вне закона".

На долгие годы оказались забытыми слова Н. И Вавилова: "Наша задача... сделать работу селекционеров генетически более осмысленной, а работу генетиков решительным образом связать с селекцией. От этого выиграют та и другая стороны". Но те, от кого зависело, чтобы так и произошло, не пожелали услышать призыв великого ученого. Их куда больше привлекали авантюристические посулы Лысенко, обещавшего молниеносно решить все назревшие проблемы сельского хозяйства, создать за 2 - 3 года новые сорта.

В результате, когда во всем мире начались грандиозные преобразования в биологии и сельском хозяйстве, связанные с переходом генетики на молекулярный уровень, созданием на ее основе качественно новых сортов, обеспечивающих возможность "зеленой революции", оказалось, что наша страна к этому не готова. Сказалась резкая нехватка необходимых для нормальной работы кадров, оборудования, реактивов. В значительной мере была утрачена преемственность в традиции проведения генетических исследований, что очень важно для всякой серьезной научной деятельности. Практически с нуля надо было начинать международные контакты, без которых любая отрасль науки развиваться не может. Не все и не сразу осознали, что времена изменились, что в мировой науке произошли качественные сдвиги, что с выходом на молекулярный уровень она стала стоить значительно дороже, что без сложных в методическом отношении и требующих подчас дорогостоящей современной техники фундаментальных исследований ничего по-настоящему ценного для практики создать не удастся. Необходимо было усвоить нынешнюю арифметику научного прогресса с ее правилом, сформулированным видным американским селекционером О. Фогелем: "Вложения в генетику окупаются десятикратно".

Многие из перечисленных проблем не вполне удалось разрешить до сих пор. Достаточно сказать, что из 60 университетов нашей страны кафедры генетики имеют лишь 14, до сих пор не на должной высоте преподают генетику во многих сельскохозяйственных вузах. Как следствие -недостаточный приток кадров в этот наиболее бурно развивающийся раздел современной биологии. К примеру, только в США исследования по генной инженерии растений ведут в десятках университетов и крупных фирмах свыше 25 тысяч специалистов. У нас же их число не превышает и двух сотен.

И все же положение явно меняется к лучшему. Увеличился приток средств на развитие генетических исследований в нашей стране, крепнут международные контакты, расширяется круг институтов АН СССР, АН союзных республик, ВАСХНИЛ и Минмедмикробиопрома, в которых ведутся работы в области биотехнологии и генной инженерии для целей сельского хозяйства. Первая в сельскохозяйственных вузах кафедра биотехнологии создана в Тимирязевской сельскохозяйственной академии в Москве. Ясно, что в конечном счете успех здесь будет в большой мере зависеть от прихода молодых, талантливых ученых, способных загореться удивительно интересным и нужным делом. Если кому-то из них эта книга поможет сделать свой выбор, а другим, от которых пока зависит многое, принять необходимые решения, чтобы помочь первым, автор будет считать свою задачу выполненной.