Руководитель лаборатории трансляционной геномной биоинформатики МФТИ Антон Буздин вместе с академиком РАН Евгением Свердловым и сотрудником Курчатовского института Максимом Патрушевым дали анализ роли редактирования генома в «квантовом скачке» повышения урожайности и, похоже, нащупали предел возможностей биотехнологии (на основе статьи в журнале Plants).
Ограниченные ресурсы землепользования при растущем населении уже давно стали глобальной проблемой. Обеспечить достаточную урожайность без расширения посевных площадей — это трудная задача, которую, на первый взгляд, можно решить с помощью современных технологий, но хватит ли их потенциала без повсеместного применения ГМО и регулирования прироста населения? Научные и статистические данные не дают особых поводов для оптимизма.
Ограниченные ресурсы при неограниченном потреблении
Многие ученые считают, что Земля близка к тому, чтобы достичь своих пределов с точки зрения производства и воспроизводства запасов продовольствия, так что этот процесс уже угрожает сохранности биосферы:
- на него приходится 21–34% мировых выбросов парниковых газов;
- общая площадь орошаемых земель увеличилась с 1960-х годов вдвое;
- сельское хозяйство сейчас обеспечивает около 70% забора пресной воды в мире;
- за это же время глобальное использование удобрений увеличилось в четыре раза, что привело к увеличению их сброса во внутренние воды, вызывая цветение и подрывая устойчивость экосистем.
Если столетие назад только около 15% поверхности Земли было изменено прямым воздействием человека [216], то теперь эта доля выросла до 87% океана и 77% суши [217]. Это привело к глобальному уменьшению биоразнообразия с сокращением популяций: около 60% видов позвоночных и 83% видов обитателей пресных вод только за период наблюдений с 1970 по 2014 год [218]. В настоящее время деятельность человека, как считается, угрожает существованию примерно миллиона видов [215], что уже называют «шестым массовым вымиранием», сравнивая текущую ситуацию с наиболее катастрофическими периодами в эволюционной истории Земли [219].
В то же время специалисты прогнозируют: чтобы прокормить растущее население Земли, не расширяя посевные площади, необходимо как минимум удвоить урожайность к 2050 году. Для достижения этой цели в течение следующих 30 лет потребуется ежегодный прирост урожайности на 2,2%, что значительно превышает среднегодовой показатель за последние полвека [19].
Расширение площади сельскохозяйственных земель не только повысит содержание парниковых газов в атмосфере, но и повлечет сокращение биоразнообразия из-за обезлесения и осушения. В 2009 году была выдвинута интересная концепция, названная «рамкой планетарных границ». Она определила «безопасное рабочее пространство для человечества». Концепция гласит, что человечество не должно нарушать девять планетарных границ. Эти границы связаны, соответственно, с девятью процессами, такими как изменение климата; перераспределение биогеохимических потоков, особенно в части азота и фосфора; истощение плодородия земель; использование пресной воды; аэрозольное загрязнение; истощение озонового слоя; закисление океана; потеря устойчивости биосферы, включая утрату генетического биоразнообразия; а также выделение отравляющих и условно токсичных веществ.
Таким образом, миру остро необходимы новые генетические технологии инженерии сельскохозяйственных растений, которые помогут выйти за современные пределы потенциальной урожайности. В настоящее время уже широко применяются три стратегии: селекция мутантных растений, генная инженерия и направленная модификация. Мутационная селекция заключается в воздействии на семена химикатами или радиацией для получения желаемых характеристик при скрещивании с другими сортами. Генная инженерия позволяет создать желаемые варианты генома организма-объекта, а методы синтетической биологии — синтезировать протяженные фрагменты ДНК с желаемыми последовательностями. Но все эти методы имеют также и свои ограничения.
«Зеленая революция» и ее последствия
Современное сельское хозяйство уходит корнями в «зеленую революцию», начавшуюся с внедрения высокоурожайных сортов пшеницы и риса в 1960-х годах [24 , 38 , 40 , 41 , 42]. В этот период, например, производили селекцию пшеницы, имеющей короткие и прочные стебли, которые лучше выдерживают больший груз семян. Успех был достигнут благодаря скрещиванию нескольких географически удаленных популяций пшеницы. Технология нашла активное применение в Мексике, и в 1963 году 95% посевов пшеницы составляли именно эти сорта, а урожай в шесть раз превысил показатели 1944 года, впервые сделав эту страну нетто-экспортером зерновых.
За последние 50 лет технологии «зеленой революции» привели к увеличению производства зерновых на душу населения на 30%. Однако она имела серьезные непредвиденные последствия: более 90% потерь генетического разнообразия сельскохозяйственных культур за счет переориентации на три вида растений: рис, кукурузу и пшеницу, обеспечивающие около 60% всего урожая.
Но и это еще не все: в последние годы все большее значение имеет распространение вредителей сельскохозяйственных культур. Они обживают новые географические зоны и могут катастрофически снижать урожайность. При ведении хозяйствования в режиме монокультуры устойчивость растений к таким вредителям и паразитам оказывается сравнительно невысокой. Спасением может стать генетическое разнообразие сортов и диких предков культурных растений, многие из которых веками и тысячелетиями успешно сосуществуют с вредителями. Не будем забывать, что само начало «зеленой революции» было положено скрещиванием сортов растений с разных континентов. Сохранение разнообразия генофонда сельскохозяйственных культур и их диких предков жизненно необходимо для достижения устойчивости к разного рода стрессовым условиям.
Тем не менее, даже преодолев стрессовые барьеры, мы наталкиваемся на теоретические пределы урожайности сельскохозяйственных культур.
Теоретические пределы урожайности
Теория пределов урожайности в сельском хозяйстве гласит, что экологические ограничения не позволяют культурам реализовать свой генетический потенциал даже в лучших полевых условиях. Продуктивность биомассы и съедобный урожай оказываются намного ниже прогнозируемого максимального выхода. Согласно этой теории, процесс фотосинтеза может быть ключом к увеличению генетического потенциала урожайности. Поэтому лучшее понимание механизмов фотосинтетических процессов и их биоинженерия могут привести к разработке стратегий повышения урожайности.
Эти задачи можно решать с помощью генной инженерии в сочетании со стратегиями синтетической биологии и компьютерного моделирования. Инструменты синтетической биологии в теории позволяют перепрограммировать биосинтетические процессы в растениях с использованием более эффективных систем, например позаимствованных у бактерий и водорослей. Можно ожидать определенного успеха и со стороны «голубой» биотехнологии, скажем, от биотехнологии одноклеточных водорослей, которые являются важным производителем многих классов питательных веществ. Поскольку многие из них имеют быстрые темпы роста и обладают разнообразием фотосинтетических систем, то их можно рассматривать как привлекательные мишени для генетических модификаций. Но не будем забывать о том, что принцип полезности инженерии фотосинтетического аппарата для повышения продуктивности продовольственных культур растений пока не доказан на практике [104].
Технологии для «квантового скачка» готовы, но где же цели?
Ожидается, что появление точных инструментов редактирования генома произведет революцию в способах создания новых сортов растений. Сегодня наиболее часто используется система редактирования CRISPR/Cas9. Она применялась более чем для 20 сельскохозяйственных культур с целью улучшения желаемых признаков, а также повышения урожайности и устойчивости растений к стрессам. CRISPR/Cas9 обладает уникальной способностью проводить генетические изменения незаметно, что позволяет легко обойти регуляцию оборота ГМО и вызвать лавинообразный рост таких продуктов на рынке. Однако это способно привести к драматическим экономическим, этическим и экологическим последствиям.
Другой аспект заключается в том, что генное редактирование может помочь ускорить одомашнивание и повсеместное выращивание нового поколения почвосберегающих и экологически безопасных культур. Вполне разумной стратегией повышения урожайности представляется использование местных ресурсов для адаптации к изменчивости и изменению климата. Существует более 50 000 видов съедобных растений, но сильное распространение в сельском хозяйстве получили только 15 из них, которые обеспечивают сегодня 90% мирового потребления растительной продукции, причем три из них (рис, кукуруза и пшеница) — это две трети потребления.
По иронии судьбы, более 70% диких родственников одомашненных культур находятся под угрозой исчезновения и нуждаются в срочном сохранении в связи с проникновением сельского хозяйства в экосистемы — естественную среду обитания этих видов. Тем важнее видится работа генетических банков, которые содержат семена или образцы тканей более 7,4 миллионов сортов и видов растений. Это можно считать ресурсом, который даст человечеству «билет в будущее» и позволит использовать современные технологии, такие как генное редактирование.
Кроме того, привлекательным альтернативным путем является одомашнивание дикорастущих растений и усиление их полезных свойств.
Узкое место в исследованиях
Несмотря на огромный прогресс, влияние геномики на улучшение сельскохозяйственных культур все еще далеко от удовлетворительного. Во многом это связано с отсутствием эффективных подходов к системной инженерии растений, когда каждое новое изменение вписывается в общий благоприятный контекст. Такой подход может обеспечить синергичное действие генетических модификаций, когда одна из них будет умножать эффект от других. Это можно будет назвать биоинженерной революцией, но мы все еще далеки от успеха. В первую очередь человечество ограничивает недостаточное развитие таких отраслей науки, как биоинформатика и системная биология. Нам все еще не хватает понимания того, как именно «все связано со всем» в растительном организме, хотя стремительное накопление больших объемов генетических, биохимических и других данных дает надежду на успех.
Выводы. Да или нет?
Можно резюмировать, что революционный прорыв в повышении предела урожайности путем селекции растений даже с использованием отдельных модификаций единичных генов маловероятен. С одной стороны, существуют узкие места в технологиях и сам предел урожайности, а с другой — действует ограничение на использование ГМО во многих странах.
Не будем забывать, что существует 20–30-летний промежуток между демонстрацией инновационных решений на экспериментальном уровне и их введением в севооборот фермерами. Полевые испытания с участием генетически модифицированных растений немногочисленны во всем мире. Например, на территории ЕС они не проводятся в принципе из-за строгой регуляции ГМО. Таким образом, при неизменности ситуации с регуляцией инженерии растений одни только технологии, взятые сами по себе, будут бессильны прокормить быстро растущее население.
И все же внушает надежду, что сочетание прогресса исследований естественного разнообразия растений и бактерий с генной инженерией сможет обеспечить более устойчивый глобальный рост источников пищи, хотя бы и в долгосрочной перспективе.
