Генное наследие
Текст: Алексей Кириллов | 2017-10-23 | 173
25 ноября 2017 года исполняется 130 лет со дня рождения выдающегося русского и советского учёного Николая Ивановича Вавилова. О его научном наследии – известной во всём мире коллекции культурных растений – мы поговорили с директором Федерального исследовательского центра Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова (ВИР) Николаем Дзюбенко.

– Николай Иванович, расскажите, почему этой коллекции придаётся очень большое историческое и научное значение и каким образом она была сформирована?

Всё началось ещё в дореволюционной России. В начале 1890-х годов в стране случился страшный голод. Проблема обеспечения людей продовольствием стояла очень остро, и с целью её решения при научном комитете Министерства государственных имуществ было организовано бюро по прикладной ботанике – будущий Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства имени Н.И. Вавилова. Произошло это 26 октября 1894 года. К 1902 году специалистами бюро была собрана и задокументирована коллекция из 300 образцов ячменя и овса. Причём спустя 4 года, в 1906-м, она получила гран-при Всемирной выставки в Милане.

В феврале 1920 года заведующим бюро был приглашён профессор Саратовского сельхозинститута Николай Иванович Вавилов. Он был выпускником Тимирязевской сельхозакадемии, перед Первой мировой войной проходил стажировку в Англии, после чего перебрался в Саратов. В 1916 году Вавилова в качестве консультанта привлекли в Персию (ныне – Иран), где он должен был выяснить причину частых случаев массового отравления солдат русской армии. Вавилов определил, что причина заболеваний и галлюцинаций кроется в спорынье, содержащейся в местной муке. Решением проблемы стал запрет на употребление местных продуктов. Еду стали завозить из России и болезнь была остановлена.

С разрешения военного руководства Вавилов отправился вглубь Ирана, где занялся исследованием и сбором образцов злаков. После этого через Киргизию и Узбекистан он направился в Монголию, однако из-за начавшегося восстания киргизов был вынужден свернуть в сторону Таджикистана. Добравшись на лошадях до горного Бадахшана, он столкнулся с невероятным растительным разнообразием, собрал большую коллекцию семян, после чего вернулся в Россию. По результатам этой экспедиции Вавилов сформулировал три основополагающих научных подхода формирования коллекции растений: что собирать, как собирать и где собирать. Всё это было оформлено в виде научных направлений – определение вида растения, центров его происхождения и сбора внутривидового разнообразия. С этого и началась его знаменитая коллекция.

Надо сказать, что сама идея сбора растений была не нова. Во-первых, как я уже говорил, коллекция семян ячменя и овса была собрана работниками бюро по прикладной ботанике ещё до того, как его возглавил Николай Иванович. Во-вторых, растения собирали ботанические сады Англии, Германии, США и особенно Нидерландов. Но все они тогда охотились за редкими, экзотическими видами растений. Вавилов же перевёл на научную основу сбор, сохранение и использование культурных растений.

С 1923 по 1940 год Вавиловым и другими сотрудниками бюро (к тому времени уже переименованному во Всесоюзный институт растениеводства) было совершено 180 научных экспедиций, 40 из которых – в 65 зарубежных стран. Их результатом стало создание уникальной коллекции культурных растений. В 1940 году она насчитывала 280 тысяч единиц хранения, и это была самая большая коллекция в мире, собранная на научной основе. Она нашла широкое применение в селекционной практике, став первым в мире банком генов. Вавилов заложил основы селекции, семеноводства и генетики культурных растений. Кроме того, институт по предложению Вавилова впервые организовал сортоиспытательные станции.

6 августа 1940 года Вавилов был арестован по сфабрикованному против него обвинению. Суд вынес решение о его расстреле, однако потом наказание было заменено 20-летним тюремным сроком. Три года Вавилов провёл в саратовской тюрьме, умерев там в январе 1943-го от истощения и болезней. В 1955 году Верховный суд СССР отменил судебный приговор и прекратил дело за отсутствием состава преступления. С Вавилова были сняты абсолютно все обвинения.

из архива Н.И. Дзюбенко

Николай Иванович Вавилов – российский и советский учёный-генетик, ботаник, селекционер, географ, общественный деятель. Организатор и участник ботанико-агрономических экспедиций, охвативших большинство континентов (кроме Австралии и Антарктиды), в ходе которых выявил древние очаги формообразования культурных растений. Создал учение о мировых центрах происхождения культурных растений. Обосновал учение об иммунитете растений, открыл закон гомологических рядов в наследственной изменчивости организмов. Внёс существенный вклад в разработку учения о биологическом виде. Под руководством Вавилова была создана крупнейшая в мире коллекция семян культурных растений. Он заложил основы системы государственных испытаний сортов полевых культур. Сформулировал принципы деятельности главного научного центра страны по аграрным наукам, создал сеть научных учреждений в этой области.

– Каким образом коллекцию удалось сохранить во время Второй мировой войны? Люди умирали от голода, хотя под их боком находились большие запасы злаков и картофеля.

Эта коллекция никогда не рассматривалась как запас продовольствия. Она имела огромную невосстановимую научную ценность, и её спасали точно также, как картины из Эрмитажа.

В 41-м году наш институт попал под блокаду. Небольшую коллекцию пшеницы, ржи и каучуконосных растений самолётом удалось вывезти под Екатеринбург, где был организован филиал института. Основную часть коллекции пытались вывезти в центральную Россию, но к этому времени немцы уже перерезали дорогу в Гатчине, и коллекция была возвращена на своё место.

Большие проблемы доставляли крысы, которые в поисках еды научились сбрасывать со стеллажей жестяные коробки, в которых хранились семена растений. Но тяжелее всего было сохранить картофель, потому что каждый год его нужно было пересаживать. В пригородах Ленинграда истощённые люди высаживали картофель, но не для того чтобы его есть, а для того чтобы сохранить. Точно также зимой отапливали подвалы института – не чтобы согреться самим, а чтобы не замёрзли клубни. За время блокады от голода и холода умерло несколько сотрудников института, но усилиями небольшого количества людей коллекцию всё-таки удалось сохранить. Это, безусловно, самый настоящий подвиг, который очень высоко всеми оценён.

Но потери, конечно, были, и они были большими. В течение войны и первых послевоенных лет институт утратил примерно половину коллекции. Однако, начиная с 1950-х годов, было получено хорошее государственное финансирование, благодаря чему к 1990-му году коллекцию удалось увеличить в три раза.

Во время развала СССР проблемы начались вновь. Мы потеряли шесть опытных станций и примерно 24 тысячи образцов семян.

– А что коллекция представляет собой сегодня?

Сейчас мы храним более 327 тысяч образцов. Это 2200 видов культурных растений и их диких родичей. В мире сегодня насчитывается уже 1740 генетических банков, и среди них наша коллекция по своей численности находится на четвёртом месте, уступая только коллекциям США, Китая и Индии. Но вот по исторической значимости, по изученности и документированию мы не отстаём даже от американцев, то есть в плане науки и методологии находимся на самом острие. При этом мы не храним тропические и субтропические виды растений, которые составляют существенную часть в коллекциях Индии, Китая и США.

Сейчас наша коллекция продолжает пополняться, и происходит это из разных источников. Это и международный обмен, и сорта, которые нам присылают селекционеры, и то, что мы находим в экспедициях. Сейчас в нашей системе сформировано 16 экспедиционных отрядов. Для них закуплена техника на базе вездеходов УАЗ, специальное оборудование и одежда. Всё это позволяет добираться до труднодоступных мест, обследовать деревни, собирать в природе те дикие родичи, которые нам необходимы. В этом году мы провели более 20 экспедиций. Административная должность не позволяет мне самому подолгу заниматься этой работой, но как минимум в одной-двух экспедициях в год я участвую. Например, в 2017 году я организовал и провёл две экспедиции ? в Дагестане и на территории Северо-Западного региона России.

из архива Н.И. Дзюбенко

из архива Н.И. Дзюбенко

Экспедиционные сборы дикорастущей люцерны на территории Новгородской области.

из архива Н.И. Дзюбенко

Экспедиционные сборы люцерны в Дагестане (около крепости Нарын-Кала, г. Дербент).

Отдельно нужно сказать, что в 2008 году правительство Норвегии на острове Свальбард (архипелаг Шпицберген), находящимся примерно в 1000 км от Северного полюса, построило хранилище «судного дня» – своеобразный «Ноев ковчег», где в трёх камерах горизонтальной шахты в скале на высоте 130 метров можно хранить до 5 миллионов единиц хранения семенных коллекций. Это мировой семенной депозитарий. На сегодняшний день там хранится около 900 тысяч образцов, но на следующий год, когда депозитарий будет праздновать своё десятилетие, туда хотят заложить 1 миллион дублей из коллекций разных стран для обеспечения возможности восстановления генетического разнообразия растительного мира на случай чрезвычайных ситуаций – термоядерной войны, глобальной катастрофы и т.п.

– В этом плане цели самого Вавилова, когда он начинал собирать коллекцию, были другими?

Если судить по его архивам, то это было связано и с госбезопасностью, и со сбором генетического разнообразия для решения задач селекции, и для того чтобы собрать определённый запас генетического разнообразия для будущих поколений.

– А почему генетическое разнообразие культурных растений является настолько важным?

Эта та точка, где расходятся интересы экономики и здоровья нации. Чтобы прокормить население земного шара, из растений достаточно только пшеницы, риса и картофеля (корнеплодов). Эти культуры сегодня определяют 90% калорий, потребляемых человечеством. Но человек не может быть здоровым, поедая только их. Ему необходимо пищевое разнообразие, причём именно с той территории, где он родился и к которому привык. На земном шаре произрастает примерно 400 тысяч видов растений и 30 тысяч из них можно использовать в пищу.

– Насколько я понимаю, ваша коллекция очень сильно отличается от того, что обычно понимается под этим словом – в том плане, что она не лежит мёртвым грузом на каких-нибудь стендах, а активно используется в практических целях. Это действительно так?

Конечно. Во-первых, ежегодно в наших филиалах мы размножаем в среднем 30-35 тысяч образцов растений для оздоровления, восстановления всхожести, и из них больше половины закладываем на хранение.

из архива Н.И. Дзюбенко

Размножение мировой коллекции многолетних кормовых растений ВИР под изоляторами (г. Павловск).

из архива Н.И. Дзюбенко

Размножение мировой коллекции картофеля ВИР (г. Пушкин).

А во-вторых, мы занимаемся изучением коллекции, формируем рабочую коллекцию для российских селекционеров, сами создаём новые сорта, разрабатываем теоретические основы селекции.

За последние три года мы создали 37 новых сортов и гибридов. Приведу такой интересный пример. Около десяти лет назад в мире пошла мода на полбу, каша из которой стала очень популярной. А теперь представьте, что мы около 70 лет хранили коллекцию полбы. Она не была востребованной, но наши специалисты, прежде всего, уже покойный профессор Мережко, работали с этим злаком и отбирали самые интересные его формы. Совместно с Краснодарским НИИСХ им. П.П. Лукьяненко был создан и районирован сорт под названием «Руно», и сейчас мы наблюдаем на него очень хороший, повышенный спрос. Вообще, зёрна полбы имеют оболочку, и чтобы получить крупу, эту оболочку сперва надо разрушить. Теперь же наши специалисты нашли голозёрную форму полбы, и мы её тоже будем районировать.

Другой пример: в институте уже больше 60 лет работает профессор Владимир Дмитриевич Кобылянский – ведущий учёный в мире по генетике и селекции ржи. За свою жизнь он совершил три настоящих революции, связанных с этим злаком. Одним из первых он создал короткостебельную рожь, потом разработал технологию гибридной ржи, вывел иммунные сорта популяции. А теперь он совершил четвёртую революцию - создал универсальную рожь на основе низкого содержания пентозанов – эта «фишка», которая может перевернуть в сельском хозяйстве очень многое. Дело в том, что рожь хороша для выпечки хлеба, для кондитерских изделий, даже для производства пива и спирта, но она малопригодна для корма сельскохозяйственных животных, особенно тех, которые имеют однокамерный желудок (свиньи, птица и др.). А Кобылянский создал такие универсальные сорта, которые можно использовать и для людей, и для животных. Сейчас он пытается вывести сорта ржи с повышенным содержанием белка.

из архива Н.И. Дзюбенко

Изучение низкопентозановой ржи в условиях фитотрона. Слева в белом халате – профессор В.Д.Кобылянский.

из архива Н.И. Дзюбенко

Научные посевы ржи на фоне фитотрона ВИР.

из архива Н.И. Дзюбенко

Профессор В.Д.Кобылянский на фоне селекционных посевов низкопентозановой ржи.

Ещё одна из наших актуальных тем – это проблема натурального каучука. Возможно вам известно, что для аэрокосмической промышленности необходима очень качественная резина. Особенно нужна она для истребителей и бомбардировщиков 4-го и 5-го поколений. Искусственный каучук не обладает достаточным качеством, а с гевеей, из которой получают натуральный, есть проблема – её плантации часто поражаются вредителями. Так вот, в нашей коллекции есть виды близких к одуванчику растений (кок-сагыз, тау-сагыз и крым-сагыз), в корнях которых образуется природный качественный латекс. Причём ещё до войны в СССР кок-сагызом было засажено 56 тысяч гектаров земли. И вот сейчас эти работы значительно актуализировались.

Это лишь несколько очень интересных и перспективных направлений, которыми мы занимаемся.

– Были ли в вашей практике такие случаи, когда благодаря коллекции удавалось восстанавливать считавшиеся утраченными сорта растений?

Примеров много. Допустим, когда в Эфиопии на международные деньги был построен генбанк, мы передали ему в дар коллекцию тех образцов, которые когда-то сами собрали в этой стране, и которые в самой Эфиопии впоследствии были потеряны. Даже такая благополучная страна как Германия потеряла два местных сорта чечевицы, и мы им официально их возвратили. Когда у нас была делегация из Уругвая во главе с заместителем министра сельского хозяйства, то он припомнил, что в 1932 году у них был Вавилов, который взял 17 образцов овса и ячменя, а сейчас эти сорта у них потеряны. Видели бы вы их глаза, когда мы из 17 образцов возвратили им 12. Часто бывают случаи, когда селекционеры выводят какой-то сорт из районирования, но когда вдруг в нём снова возникает потребность, оказывается, что он уже утерян. С подобным вопросом к нам обращался Казахстан по возврату сортов северного риса, который возделывался на территории Кызылординской области. А сейчас к нам обратилось руководство Перу, и с ними мы будем вести переговоры по паритетному обмену коллекциями картофеля.

А вообще по этому вопросу нужно отметить вот что: подходы к хранению сортов у школы Вавилова и школы западных учёных сильно отличаются. Западная школа утверждала, что сорта, которые исчерпали свой потенциал, можно выбросить, а школа Вавилова говорила, что хранить надо всё – придёт время и «ненужные» сорта вновь будут востребованы. Мы сохранили старые сорта и популяции, и как показывает время, оказались правы. Разницу этих подходов можно выразить в таких цифрах: когда мы начали сравнивать коллекции картофеля (у нас одна из самых больших в мире – 9 тысяч образцов), то оказалось, что порядка 500 сортов картофеля западной селекции в генбанках Запада отсутствует, зато у нас они есть.

Сейчас у нас действует программа, которая запрещает выбрасывать и обезличивать даже семена, потерявшие всхожесть, потому что новейшие молекулярно-генетические методы позволяют из этого мёртвого семени вырастить живое растение. Кроме того, отдельной частью нашей коллекции является гербарий культурных растений. Во всём мире есть только три подобных гербария, собранных целенаправленно. Так вот, тканевая ДНК тоже является источником генетического разнообразия. Поэтому мы его храним очень аккуратно, в условиях жёсткого допуска, поскольку были случаи, когда недобросовестные посетители изымали кусочки этих листьев для своих исследований. Вы только представьте себе, что это гербарий Вавилова, который собирал лично он, ещё до революции. И это сокровище хранится у нас. Причём в отличие от семян, которые эволюционно не хранят историю того периода, в который они были собраны в первый раз, тканевые ДНК гербария представляют особый интерес, поскольку соответствуют именно тем растениям, которые росли тогда.

– А по каким причинам старые утерянные сорта вдруг снова становятся востребованными?

Меняются предпочтения, изучаются структура и качество этих сортов. Селекция объединяет биохимический состав пшеницы, ячменя или кукурузы, они стараются получить максимально продуктивные сорта. Но качество и урожай имеют отрицательную корреляцию. Староместные сорта менее урожайны, зато они имеют полноценные белки и другие вещества. И сейчас вдруг оказывается, что эти сорта представляют интерес, они более устойчивы к болезням и вредителям, они требуют меньшее количество гербицидов и минеральных удобрений. Ну и плюс к этому в мире стало модным органическое земледелие. Дания, например, переходит на 100% органику. Так вот, современные интенсивные сорта для органического земледелия не годятся, а староместные сорта для этих целей хорошо подходят. Их генетическое разнообразие настолько большое, что фактически можно найти всё, что необходимо для человека.

– Сейчас очень много говорится о глобальном потеплении, в этом плане роль деятельности по созданию, хранению и появлению новых сортов возрастает ещё больше?

Конечно. Как ни удивительно, но Вавилов понимал это ещё в 1930-е годы, поэтому уже тогда проводил много исследований на тему осеверения растениеводства. В результате сейчас у нас имеются коллекции, пригодные для использования и на юге, где скоро будет пустыня, и на севере. Недаром же Вавилов создавал такую обширную географическую сеть сортоиспытательных станций. Сегодня она позволяет нам тестировать и определять реакцию отдельных видов растений и их внутривидовое разнообразие на изменение климата. Это серьёзный вопрос. Важно, чтобы сорта были готовы к выращиванию во всех регионах. Вы, наверное, знаете, что кукуруза – это южная культура и когда в 1930-ые годы её высевали в нашей стране, она могла расти только в районе Краснодарского края. А сейчас кукурузу выращивают даже в Ленинградской области. То же самое и подсолнечник, и озимые сорта пшеницы. Но всё это стало возможным только потому, что коллекции собирались, изучались, структурировались. Их реальный потенциал просчитывался и использовался.

из архива Н.И. Дзюбенко

На Первом Международном конгрессе по биоразнообразию.

– Бывают ли такие случаи, когда вы обнаруживаете нечто такое, что заставляет удивиться даже вас, несмотря на то, что вы специалист с огромным стажем, повидавший очень многое?

Да, бывают. Я – специалист по люцерне, писал по роду люцерны кандидатскую и докторскую диссертации. Я считал, что знаю про люцерну всё. Но в Псковской и Новгородской областях я обнаружил уникальные популяции жёлтой люцерны. И есть такая идея, что эти популяции по какой-то причине сформировались по маршруту варягов, которые шли из Норвегии и Швеции в Константинополь. Сейчас мы пытаемся это перепроверить с помощью молекулярных исследований.

Но вообще есть много того, что поражает. Например, мы обследовали территорию на границе с Финляндией, где стоят брошенные финские хутора. С 1945-го года там не живёт никто, а растения – красная, чёрная смородина, земляника, многолетние кормовые травы – прекрасно там себя чувствуют. Они не поражаются болезнями и каждый год дают урожай. Это тоже очень ценный генетический материал, потому что он максимально адаптирован к этим условиям. Его включают в скрещивание, из него отбираются лучшие генотипы по количественным и качественным характеристикам, из них формируются новые сорта. Дикие родичи используются в селекции максимально, потому что они в природе длительное время эволюционировали, они устойчивы к болезням, к вредителям, к кислым почвам.

Но особенно важно это на фоне потепления климата. Огромная территория нашей страны находится в вечной мерзлоте, которая может содержать в замороженном виде множество болезнетворных бактерий. Когда эти бактерии вырвутся наружу, мы не знаем, как они себя поведут и, возможно, именно староместные сорта и популяции окажутся к ним наиболее устойчивыми.

– Ну и в заключение: какой вы видите свою деятельность в будущем? Какие задачи будут стоять в течение ближайших 10-20 лет, и в каком направлении будет осуществляться развитие?

С небольшим коллективом я разработал нашу программу развития до 2035-го года. Её мы защитили на всех уровнях, в том числе на уровне правительства. Объём нашей коллекции мы будем доводить до 400 тысяч единиц хранения, но главное сейчас – не собирать семена физически, потому что это довольно затратно, а на основе международной кооперации понять, где и что хранится. Потому что современные технологии позволяют структурировать и создавать виртуальные коллекции. Мы закупили 180 новых компьютеров и уже вплотную занимаемся этой темой. Обширная виртуальная коллекция откроет селекционерам уникальные возможности. Допустим, если перед ними встанет задача создать скороспелый сорт или гибрид, например, кукурузы или подсолнечника, виртуальная коллекция позволит им отобрать наилучшим образом подходящие для этого генотипы и понять, где они находятся. Если коллекции содержат 7 миллионов образцов, которые хранятся в мире, и 500 из них имеют нужные селекционеру характеристики, то мы реально сможем запросить значительную их часть в других генбанках и таким образом передать селекционеру самый лучший материал для дальнейшей селекции. А успех селекционера во многом зависит именно от исходного материала.

Nedim Bajramovic / 123rf.com

Фото на обложке статьи: Nedim Bajramovic / 123rf.com