Экстремальные погодные условия стали новой нормой, угрожающей урожаям, биоразнообразию и глобальной продовольственной безопасности. Ученые изучают геномы растений, чтобы создавать устойчивые культуры, способные противостоять изменению климата и обеспечить наше продовольственное будущее.

мир вступает в эпоху климатической неопределённости, в которой экстремальные погодные явления становятся не редкими сбоями, а новой нормой. За продолжительными засухами следуют катастрофические наводнения, температура продолжает расти, а болезни угрожают экосистемам по всему миру. Эти изменения представляют собой серьёзную проблему для здоровья растений, урожайности и биоразнообразия — в то время, когда каждый одиннадцатый человек сталкивается с голодом, а глобальный спрос на продовольствие только растёт по мере увеличения численности населения.

В отличие от животных, которые могут мигрировать в поисках более благоприятных условий, растения в основном укореняются на месте. Их расселение происходит медленно и ограничено, поэтому им приходится полагаться на адаптацию, чтобы выжить. Обладая одними из самых разнообразных геномов на Земле, царство растений обладает богатым генетическим инструментарием для реагирования на изменения окружающей среды.

«Очень важно изучать царство растений, потому что растения уже решили множество проблем. Почему бы не прочитать их геномы как книгу и не попытаться понять их и решить проблемы, используя древние знания?»

Тодд Майкл, Институт биологических исследований Солка

Однако их генетической гибкости может быть недостаточно, чтобы противостоять нынешним темпам изменения климата. Ученые изучают, как растения адаптируются к суровым и меняющимся условиям окружающей среды, в надежде применить эти знания для создания устойчивых суперрастений. К счастью, они могут опираться на решения, которые уже существуют в природе.

«Очень важно изучать царство растений, потому что растения уже решили множество проблем, — сказал Тодд Майкл, специалист по геномике растений из Института биологических исследований Солка. — Почему бы не прочитать их геномы как книгу и не попытаться понять их и решить проблемы, используя древние знания?»

Для этого исследователям сначала нужно получить доступ к геномной информации. До недавнего времени расшифровка этих сложных генетических схем была недоступна учёным. Теперь, благодаря достижениям в области технологий секвенирования, геномика растений процветает. Благодаря возможности считывать ДНК растений исследователи могут изучать генетические изменения, которые помогают растениям адаптироваться, и даже заглядывать в прошлое, чтобы отслеживать, как растения реагировали на изменения климата на протяжении веков. Конечная цель — использовать эти знания и создавать новые культуры, которые смогут противостоять суровым условиям окружающей среды, давать более высокие урожаи и смягчать последствия изменения климата.

Рог изобилия растительных геномов

В 2000 году, когда консорциум, стоявший за проектом «Геном человека», объявил о «рабочем проекте» по секвенированию генома человека — достижение, отмеченное публикацией на первой полосе The New York Times и церемонией в Белом доме, — учёные достигли ещё одной важной вехи: впервые был полностью секвенирован геном растения. Этой чести удостоилась Arabidopsis thaliana, космополитичный сорняк и популярный модельный организм. Он был выбран отчасти из-за относительно небольшого генома — около 135 миллионов пар оснований. Тем не менее, секвенирование было непростой задачей. «Это заняло несколько лет и много-много миллионов долларов», — сказал Майкл.

Настоящая задача заключалась в расшифровке более сложных геномов растений. В отличие от A. thaliana, многие растения, в том числе важнейшие сельскохозяйственные культуры, имеют поразительно большие геномы. Например, новокаледонский адиантум венерин волос (Tmesipteris oblanceolata) является нынешним рекордсменом по размеру самого большого известного генома в мире. Его геном, состоящий из 160 миллиардов пар оснований, намного превосходит геном человека, состоящий из трёх миллиардов пар оснований.

Большие геномы растений отчасти являются результатом их склонности накапливать транспозируемые элементы, или дублированные копии больших участков ДНК. «Например, в геноме кукурузы более 70 процентов повторов, и это потому, что транспозоны, по сути, перемещались по геному и размножались, вызывая его раздувание», — сказал Майкл. Хотя многие растения являются диплоидами, то есть имеют два полных набора хромосом, многие растения подвергаются полиплоидии, то есть дублированию целых наборов хромосом. Хотя новые генетические комбинации, возникающие в результате этих событий, могут быть эволюционно выгодными, исторически сложилось так, что геномы растений сложно секвенировать и собирать.

«Растения могут делать всё это и многое другое, что, по сути, даёт им гибкость, и это делает мою работу невероятно увлекательной из-за разнообразия структур генома и состояний, в которых могут находиться геномы», — сказал Майкл.

Эти массивные и динамичные геномы могут быть ключевым фактором, помогающим растениям адаптироваться к изменению климата. Это одна из многих причин, по которым учёные стремятся получить их полные последовательности и изучить их более подробно.

Когда исследователи впервые секвенировали геном A. thaliana, они использовали секвенирование по Сэнгеру — метод, при котором ДНК расшифровывается по одному фрагменту за раз. Если вы работаете с геномом, состоящим из 160 миллиардов пар оснований, это займёт некоторое время. Затем, в 2007 году, появилось секвенирование нового поколения, которое значительно ускорило процесс. Используя метод секвенирования коротких фрагментов, учёные могли параллельно секвенировать множество коротких (от 50 до 3000 оснований) фрагментов ДНК. Вскоре за этим прорывом последовало секвенирование с длинными чтениями, которое, как следует из названия, позволяет учёным одновременно считывать более длинные участки ДНК с фрагментами размером от 1000 до 20 000 пар оснований. В 2018 году Майкл и его команда использовали эту технологию для секвенирования A. thaliana всего за одну неделю.

Майкл отметил, что секвенирование с длинными чтениями сыграло важную роль в расшифровке геномов особенно сложных растений, таких как конопля, у которой всего несколько транспозируемых элементов, расположенных друг над другом. «Люди изучали пшеницу и другие крупные геномы — полиплоидные растения, у которых также много транспозируемых элементов, — но некоторые более сложные геномы были недоступны».

Новые инструменты для секвенирования теперь могут обрабатывать более крупные фрагменты ДНК — до миллионов оснований, — достаточно большие, чтобы охватить целые транспозируемые элементы, что упрощает сборку даже самых разросшихся геномов.

«Если вы посмотрите на количество геномов, которые были опубликованы за последние два года, это просто феноменально, — сказал Майкл. — Мы начинаем видеть, как появляются геномы высочайшего качества, и это действительно изменило наш подход к работе».

«Благодаря секвенированию генома мы можем получить так много информации — [гербарные образцы] по сути являются свидетелями этого глобального эксперимента, которым является изменение климата».

Патрисия Лэнг, Калифорнийский университет, Беркли

За последние несколько лет появилось несколько высококачественных эталонных геномов, в том числе сахарного тростника, овса и кукурузы, что позволило получить беспрецедентные знания о генетике растений и открыть двери для новых открытий.

Секвенируя большое количество геномов растений, исследователи могут выйти за рамки простого определения цепочек As, Ts, Cs и Gs и перейти к пониманию функции и регуляции каждого гена. Майкл подчеркнул, что более глубокое знание ДНК необходимо для внесения точных генетических модификаций. Он отметил, что большие языковые модели будут иметь решающее значение для выявления закономерностей в обширных геномных наборах данных.11 “Я думаю, что будущее за реальным пониманием того, как использовать растения для достижения того, чего мы хотим”, - сказал Майкл.

Гербарии: Временная капсула реакции растений на изменение климата

На протяжении всей истории Земли изменение климата влияло на экосистемы, но антропоцен привёл к беспрецедентным изменениям, происходящим с головокружительной скоростью. Понимание того, как растения реагируют на эти изменения, имеет решающее значение для оценки их адаптивного потенциала и выявления новых целей для будущей инженерии растений. Изучая исторические образцы растений, собранные за последние несколько столетий, учёные могут получить представление о том, как растения реагируют на молекулярном уровне на воздействие окружающей среды, что даёт ценную информацию для разработки стратегий повышения устойчивости к изменению климата.

Патрисия Лэнг, биолог-ботаник из Калифорнийского университета в Беркли, с детства увлекалась растениями. «В детстве у меня был маленький пресс для растений, но я использовала его только для творчества и не думала, что с его помощью можно заниматься наукой», — сказала она. Изучая молекулярные механизмы современных растений в качестве аспиранта в лаборатории Детлефа Вайгеля, Ланг испытала момент озарения, когда Эрнан Бурбано, работавший над секвенированием генома неандертальца, присоединился к лаборатории и начал анализировать геномы исторических образцов растений из гербариев. Ланг узнала, что эти коллекции — тщательно сохранённые растения, собранные поколениями ботаников, — могут быть мощным инструментом для изучения адаптации растений к изменению климата, и ей не терпелось исследовать эту тему.

«Эти гербарии — невероятные кладези информации о том, как растения реагируют на глобальные изменения, которые на самом деле используются недостаточно», — сказал Лэнг. В более чем 3500 гербариях по всему миру хранится около 400 миллионов образцов, некоторые из которых датируются XVII веком. «Они почти полностью охватывают [тот] временной промежуток, который нас интересует, — антропогенное изменение климата за последние 250 лет или около того», — сказал Лэнг.

Исторически сложилось так, что исследования с использованием гербариев были сосредоточены на морфологических и фенологических сдвигах, таких как изменения в размерах растений или сроках цветения. Но о генетических изменениях, сопровождавших эти реакции, было известно немногое. Теперь, благодаря достижениям в области высокопроизводительного секвенирования и анализа древней ДНК, учёные могут извлекать огромное количество генетической информации из этих исторических сокровищ. «Благодаря секвенированию генома мы можем получить так много информации — [гербарные образцы] по сути являются свидетелями этого глобального эксперимента, которым является изменение климата», — сказал Лэнг.

Помимо того, что арабидопсис является первым растением, прошедшим через ворота секвенирования, и одним из наиболее изученных растений с точки зрения функциональной характеристики его генов, исследователи на протяжении веков сохраняли образцы A. thaliana по всему миру, что делает его отличной моделью для отслеживания генетических изменений с течением времени. В недавней статье Лэнг сосредоточила своё внимание на устьицах — крошечных поверхностных порах на листьях, которые регулируют газообмен и влияют на эффективность использования воды. По мере повышения концентрации CO2 в атмосфере плотность устьиц уменьшается. Однако неясно, обусловлена ли эта реакция генетической адаптацией.

Используя ранее опубликованные данные полногеномного секвенирования как исторических, так и современных образцов, Лэнг и её команда проанализировали 42 ключевых гена, участвующих в развитии устьиц, и сравнили генетические вариации между прошлыми и современными образцами A. thaliana. Хотя эти геномные данные свидетельствуют о том, что за последние два столетия плотность устьиц снизилась, без прямого доступа к сохранившимся образцам растений для микроскопической проверки они не смогли подтвердить это предположение. Чтобы решить эту проблему, команда исследователей создала отпечатки поверхности листьев и полногеномные последовательности для дополнительного набора гербарных образцов, с помощью которых они планируют подтвердить свои выводы.

Помимо отслеживания прошлых адаптаций, исторические гербарные образцы также дают представление о будущем. Они могут помочь выявить генетические варианты-кандидаты для дальнейшего изучения в лаборатории. Используя инструменты генетики и синтетической биологии, учёные могут манипулировать этими вариантами, чтобы определить, могут ли конкретные генетические модификации привести к появлению полезных свойств в таких условиях, как повышенная температура или уровень CO2.

Добираемся до Корня проблемы

Интенсивное сельское хозяйство в США играет важную роль в изменении климата, поскольку крупномасштабное монокультурное земледелие, чрезмерное использование удобрений и вырубка лесов приводят к выбросам огромного количества CO2 и снижают способность почвы накапливать углерод. В 2021 году на сельское хозяйство приходилось 10,6 процента выбросов парниковых газов в стране. Это создаёт конфликт между необходимостью производить больше продуктов питания для растущего населения планеты и целью сокращения выбросов.

Несмотря на воздействие на окружающую среду, сельское хозяйство предоставляет редкую возможность объединить эти цели. Ученые могут не только вывести более устойчивые к изменению климата и более урожайные сорта сельскохозяйственных культур, но и сами растения могут сыграть решающую роль в смягчении последствий кризиса. При наличии уже существующей обширной сельскохозяйственной инфраструктуры оптимизация биологии растений может проложить путь к углеродно-отрицательной системе, в которой сельское хозяйство не только кормит мир, но и помогает поглощать углерод из атмосферы.

Это видение лежит в основе Инициативы по использованию растений (HPI) Института Солка. В рамках проекта «Удаление CO2 в планетарном масштабе» (CRoPS) исследователи, в том числе Майкл, изучают способы повышения естественной способности растений поглощать углерод. Растения уже отлично справляются с поглощением углерода, превращая его в необходимые материалы, такие как сахара, полимеры и целлюлоза. Однако большая часть этого углерода в конечном итоге возвращается в атмосферу. Но у растений есть еще один мощный накопитель углерода в рукаве (или в корнях) — биополимер суберин. Это нерастворимое в воде и газах соединение образует защитный барьер в корнях, помогая растениям удерживать влагу, блокировать патогенные микроорганизмы и, что особенно важно, накапливать углерод в течение длительного времени.

В HPI исследователи стремятся создать культуры с более крупными и глубоко проникающими корнями, обогащёнными суберином, который эффективно притягивает углерод глубже в почву, где он может храниться в течение длительного времени. В одном исследовании, посвящённом естественным вариациям корневой системы арабидопсиса, исследователи HPI выявили ген, который регулирует архитектуру корней, заставляя их проникать глубже в почву. В недавней статье они создали полный атлас экспрессии генов в корнях арабидопсиса, что позволило им определить клетки, которые могут быть важны для определённых типов роста, таких как радиальное утолщение, а также гены, необходимые для синтеза суберина. Хотя исследование всё ещё находится на ранней стадии, учёные надеются выявить больше генов, которые способствуют глубокому росту корней и увеличению выработки суберина, и в конечном итоге перенести эти свойства на основные сельскохозяйственные культуры, такие как рис, сорго и соя, что потенциально превратит сельское хозяйство в мощный инструмент для обеспечения продовольственной безопасности и смягчения последствий изменения климата.

Строительство заводов снизу доверху

Хотя модификация генетических систем может повысить урожайность и увеличить поглощение углерода, эти изменения в конечном счёте являются небольшими корректировками сложной системы. Однако некоторые учёные ставят перед собой ещё более амбициозную цель — создание растений с нуля.

С этой целью Майкл потратил последние несколько лет на разработку ряски в качестве модельной системы для биологии растений в надежде, что это растение-минималист может стать идеальным каркасом для экспериментов в области синтетической биологии. Если вы когда-нибудь проходили мимо пруда, то, скорее всего, видели это крошечное водное растение, плавающее на поверхности воды. «И утки их любят — вот почему их называют ряской», — объяснил Майкл. Но не только утки любят это растение. «Я думаю, что у него отличный вкус, в нём много белка и других полезных веществ — антиоксидантов, микроэлементов и тому подобного». Он добавил: «Многим людям нравится уруть, что бы это ни было!» Но НАСА и другие международные космические агентства обращают на это внимание: высокое содержание питательных веществ, быстрый рост и приспособляемость урути делают её привлекательным источником пищи для будущих космических миссий.

Недавние данные о секвенировании генома, полученные командой Майкла, показали, что Spirodela polyrhiza и Wolffia australiana, два вида урути, имеют удивительно упрощённый генетический код — на 25% меньше генов, кодирующих белки, чем у A thaliana. «Мы считаем, что это отличная система, потому что, по сути, у неё нет корней, побегов или листьев», — сказал Майкл. Вместо этого у плавающего растения есть небольшое похожее на лист тело, которое выполняет функции фотосинтеза.

Долгосрочная цель исследования Майкла — разработать искусственные хромосомы для растений, которые могли бы привнести совершенно новые свойства в эти упрощённые модели растений. С помощью такого подхода учёные могли бы внедрять наборы генов, кодирующих сложные полезные свойства, такие как устойчивость к болезням, более высокая урожайность и улучшенный улавливание углерода, создавая совершенно новые сорта растений.

В конечном счёте, исследование Майкла направлено на то, чтобы использовать знания, полученные из этих эталонных геномов, для создания синтетических растений с характеристиками, направленными на обеспечение продовольственной безопасности и борьбу с изменением климата. По мере того, как учёные секвенируют всё больше геномов и изучают адаптацию как исторических, так и современных образцов, они надеются перейти от работы с генами в лаборатории к созданию организмов, оказывающих глобальное влияние. Создавая растения с нуля, учёные надеются открыть новые возможности в сельском хозяйстве, превратив растения в климатические решения, а не в жертвы климата.