10 фактов о генетике культурных растений

1. В ходе неолитической революции приблизительно 13–10 тысяч лет тому назад произошли драматические изменения образа жизни человека: независимо друг от друга в различных регионах мира одомашнены различные растения и животные. Период перехода от охоты и собирательства к земледелию и животноводству является поворотным пунктом в истории Земли и нашего вида, поскольку благодаря ему до сих пор происходит постоянное превращение экосистем.

В левой колонке представлены дикие, в правой — одомашненные виды растений. Иллюстрация из: Doebley J, Gaut BS, Smith BD. The Molecular Genetics of Crop Domestication (2006) Cell 127:1309–1321(www.sciencedirect.com)

2. Одомашнивание — сложный эволюционный процесс, в котором использование человеком видов растений приводит к генетическим и морфологическим изменениям, отличающим одомашненные таксоны от их диких предков. Несмотря на некоторую схожесть с естественным отбором, доместикация рассматривается как особый вид растительно-животной коэволюции, концептуально схожей с эволюционной диверсификацией, базирующейся на межвидовом взаимодействии. За редким исключением одомашненные растения не могут существовать без поддержки человека.

3. Качества растений, на которые был направлен искусственный отбор, зависели от того, какую часть растения употребляли в пищу. Например, если в пищу употребляется фрукт, то отбор происходил на величину плода. Отбор зерновых шел в сторону изменения жизненного цикла, увеличения самоопыления и уменьшения бокового ветвления стебля.

4. Современные методы генетики позволяют реконструировать мутации в конкретных генах, которые послужили причиной проявления конкретного фенотипа. Например, ген Teosinte branched1 отвечает за кустистость злака теосинте, предка кукурузы, в то время как современная кукуруза не ветвится. У кукурузы работа этого гена гиперактивирована. Ген Fruitweight2.2 контролирует размер плода у томатов. Ген shattering4 у риса ответствен за то, что зерна не выпадают из колоса.

5. Современные сорта культурных растений — продукты активного радиационного и химического мутагенеза. В период с 1930 по 2004 г. получено 2250 таких сортов, 70% из которых — продукт прямого мутагенеза и 30% — продукт скрещивания с мутантными растениями. Из всех мутантных растений около 75% составляют злаки и бобовые.

6. Современная селекция меньше направлена на архитектуру растения, а касается преимущественно улучшения качества растений, урожайности, устойчивости к условиям внешней среды, вирусам, грибам, бактериям, насекомым-вредителям и гербицидам.

7. На примере урожайности пшеницы за последние 200 лет можно проследить основные прорывы в селекционных методах. В 1800–1900-х годах она составляла 10–20 ц/га. В начале 1900-х годов к целенаправленному отбору добавилось осмысленное скрещивание. С 1900 по 1950 г. урожайность пшеницы выросла до 30 ц/га. К середине прошлого столетия появились первые продуктивные сорта на основе мутагенеза. С 1950 по 1990 г. средняя урожайность пшеницы достигла 80 ц/га. За последние 20 лет ни традиционная селекция, ни биотехнология ощутимого прироста к урожайности не принесли вообще. Самый оптимистичный прогноз на последующие 10 лет — увеличение урожайности всего на 1%.

8. Первое генетически модифицированное растение появилось на рынке в 1994 г. Через несколько лет его сняли с производства за невыгодностью. Существуют обычные сорта с такими же свойствами.

9. Состояние на 2010 г.: на рынок допущены только 33 вида ГМО из нескольких основных выращиваемых культур: соя (1), кукуруза (9), рапс (4), хлопчатник (12) и еще несколько, которые не имеют большого экономического значения. Генетическая модификация касается исключительно технологии культивирования — устойчивости к насекомым, вирусам и гербицидам.

10. К 2015 г. ожидается 120 различных ГМО. К списку добавятся картофель, свекла, рис и другие культуры. Причем половина ожидаемых ГМО сконструирована в азиатских странах.