Читайте РБК без баннеров

Подписка отключает баннерную рекламу на сайтах РБК и обеспечивает его корректную работу

Всего 99₽ в месяц для 3-х устройств

Продлевается автоматически каждый месяц, но вы всегда сможете отписаться

Зачем деревьям нужен генетический паспорт

Фото: Unsplash
Фото: Unsplash
В будущем у каждого леса появится свой генетический паспорт. Для чего он нужен, и зачем тратить на это миллионы долларов, рассказываем в материале РБК Трендов

Как расшифровывают геном деревьев

Представьте, что стопку одинаковых журналов пропускают через измельчитель, кусочки перемешивают, а после восстанавливают в первоначальные тексты. Образно — так выглядит технология секвенирования (расшифровки) нуклеотидных последовательностей ДНК — материала наследственности.

Из исследуемого образца (например, листьев, хвои, коры или спила дерева) выделяют ДНК. Затем ее режут случайным образом на небольшие фрагменты, каждый из которых нужно «прочесть». После этого короткие прочтения (риды) из 100–300 нуклеотидов собирают в последовательные логические цепочки, соответствующие хромосомам генома. Этим занимаются биоинформатики.

У деревьев длины геномов гораздо больше, чем у человека. В отличие от животных или человека, геном которых в ходе эволюции «очищался» от лишней информации и ненужной ДНК, у деревьев этот процесс оказался значительно замедлен. Например, у хвойных видов цепочки ДНК поистине гигантские. Геном ели или сосны больше человеческого в 6–9 раз, лиственницы — в четыре раза.

«У генома лиственницы «букв»-нуклеотидов примерно 12 млрд. В «Войне и мире» Льва Толстого букв и символов около 3 млн. Получается, что один геном лиственницы равен 4 тыс. книг «Война и мир», — говорит Константин Крутовский, профессор Геттингенского университета (Германия), профессор кафедры геномики и биоинформатики Сибирского федерального университета.

Из хвойных видов (сосна, ель, пихта, лиственница и прочие) состоят бореальные (северные) леса или проще — тайга. Они занимают больше 12 млн кв. км или треть всех лесов на планете. Причем около 75% бореальных лесов находится на территории России. Закономерно, что расшифровка их геномов — особая задача для нашей страны.

Собрать полные «тексты» геномов из коротких «прочтений» фрагментов ДНК — это инструментальная задача огромной сложности. На прочтение и сборку генома одного хвойного дерева уходит до полугода. Для этого нужны высокопроизводительные секвенаторы — одна такая машина может стоить $1 млн и генерировать сотни терабайт информации. А также особо мощные компьютеры и сложные программы.

В России только в единственном месте осуществляется секвенирование гигантских геномов — в лаборатории лесной геномики научно-образовательного центра Сибирского федерального университета. В других странах национальные центры и институты также изучают разные виды деревьев. Например, университет Нью-Гемпшира (Англия) расшифровывает геном дерева ши, а ученые Китая — агаровое дерево.

Помешать высокотехнологичному и сложному процессу секвенирования может банальное отключение электричества. Звучит нелепо, но это так. Электричество в Красноярске, где находится лаборатория лесной геномики, отключают неожиданно и часто на несколько часов. Чтобы все это время поддерживать промежуточные результаты, нужны огромные мощности, иначе все пойдет насмарку. Бесперебойников тут недостаточно, требуются автоматически запускаемые дизель-генераторы.

Зачем лесам генетические сертификаты

В Европе законодательно закреплено, что импортируемая древесина некоторых ценных пород должна иметь генетический сертификат, чтобы исключить рубку охраняемых и исчезающих видов. В будущем обзавестись ими должны все леса. Нелегально срубить и продать дерево будет проблематично: ДНК-анализ образца (опила, например) покажет, из какой страны или района привезена древесина, есть ли разрешение на вырубку, какую ценность имеет порода.

Благодаря секвенированию деревья открывают свои тайны: ученые видят, какие гены помогают им лучше приспосабливаться к неблагоприятным условиям. Эти особенности можно использовать в селекции, чтобы деревья получили способность противостоять засухам, вредителям, а также могли прижиться в нетипичных почвах.

«Например, ясени поразил вирус Chalara fraxinea. Это мировая проблема. Ученые ищут определенную последовательность нуклеотидов в ДНК, устойчивых к этому вирусу, — говорит Олег Баранов, ведущий научный сотрудник лаборатории генетики и биотехнологий Института леса Белоруссии. — Понять эти тонкости мы смогли, только изучая внутренний мир растений и их паразитов. Генетический анализ дает возможность точного диагноза. Многие задают вопрос: а можно ли на основе генетических исследований создавать вакцины для деревьев? Можно. И мы пишем рекомендации разработчикам препаратов. Но жизнь дерева в человеческом обществе оценивается качеством древесины. Дешевле срубить, чем лечить каждое дерево.»

Изумрудная узкотелая златка — самый опасный вредитель ясеня в мире. В Северной Америке он убил десятки миллионов деревьев с начала века. Экономике США он обошелся $10 млрд в 2020 году
Изумрудная узкотелая златка — самый опасный вредитель ясеня в мире. В Северной Америке он убил десятки миллионов деревьев с начала века. Экономике США он обошелся $10 млрд в 2020 году (Фото: bbc.com)

Лесная геномика раскроет секрет долголетия

С помощью лесной геномики ученые могут узнать, почему некоторые виды деревьев живут так долго. Секвойям (Sequoia sempervirens) на северном побережье Калифорнии по 1–2 тыс. лет, а остистым соснам (Pinus Longaeva), растущим в горах Сьерра-Невады (США), по 3–5 тыс. лет. Есть виды можжевельника и кипариса, которым по 2,5 тыс. лет. Гены таких экземпляров особенно ценны. Возможно, что с помощью генетической трансформации, геномного редактирования и селекции они способны помочь другим деревьям жить дольше и выживать в любых условиях.

Секвойи вырастают до 100 м, толщина коры у основания может достигать 90 см. 90% секвой описаны и зарегистрированы, их вырубка строжайше запрещена. Национальный парк «Секвойя», Сьерра-Невада, США
Секвойи вырастают до 100 м, толщина коры у основания может достигать 90 см. 90% секвой описаны и зарегистрированы, их вырубка строжайше запрещена. Национальный парк «Секвойя», Сьерра-Невада, США (Фото: Энтони Эмброуз)

Сегодня многие леса человек высаживает сам, однако они очень отличаются от природных, особенно старовозрастных, в которых сформировались уникальные экосистемы с особой средой обитания для самых разных видов растений и животных, некоторые из них могут существовать только тут.

Будущее лесной геномики

В Сибирском федеральном университете взялись за сложнейшую задачу — секвенирование лиственницы, сосны и кедра. Большие геномы деревьев здесь расшифровывает уникальный комплекс секвенаторов и компьютерный кластер.

«По сути это уникальная научная установка (УНУ), и в наши планы входит ее регистрация в федеральном реестре, — рассказывает Константин Крутовский. - Два года назад мы создали кафедру геномики и биоинформатики, и студенты, магистранты и аспиранты кафедры имеют возможность участвовать в научных проектах и получать важные практические навыки по секвенированию и биоинформатике. У нас большие планы по изучению геномов древесных и их важнейших фитопатогенов».

Сейчас первоначальная расшифровка ДНК дерева обходится в сотни тысяч долларов, без грантов от государства ученым не справиться. Однако когда есть готовый образец генома, дальнейшее секвенирование обходится гораздо дешевле.

Обновлено 15.11.2021
Главная Лента Подписаться Поделиться
Закрыть