ДИАГНОЗ С ТОЧНОСТЬЮ ДО ГЕНА

Определить болезнь за сутки и выписать рецепт. По такому принципу работают в фитопатологическом центре лесных древесных видов Института леса Национальной академии наук Беларуси. Ежегодно сюда за помощью и консультациями обращается до половины белорусских лесохозяйственных учреждений. Центр работает уже более 10 лет, и болезни растений здесь определяют на генетическом уровне.

Болезни роста

Грибы, вирусы, вредители — часть жизни леса. Но это когда биосистема находится в равновесии, любое потрясение — засуха, заморозки, затяжные дожди — нарушает нормальный ход вещей. Особенно это отражается на молодняке. Деревья, как люди, в детстве болеют чаще и разнообразнее. Тогда самое время звонить в «консультацию лесных болезней» — фитопатологический центр лесных древесных видов Института леса Национальной академии наук. Диагностикой и профилактикой заболеваний лесных насаждений сегодня занимаются и на генетическом уровне. Такой подход особенно актуален, поскольку позволяет выявить проблему на ранних стадиях и предупредить ее распространение.

— Классическая ситуация. Теплица или посевное отделение в питомнике. Там десятки тысяч или даже миллионы сеянцев. Обнаружен очаг заболевания (небольшой участок). В чем причина? Установить на глаз? Начать лечение? А вдруг ошибка? Как итог — потеря времени и части посадочного материала, — рассказывает ведущий научный сотрудник Станислав Пантелеев. — Но так было раньше. Теперь необходимо отщипнуть часть больного растения или взять несколько сеянцев целиком и отправить нам. Анализ таких образцов производится в течение одного-двух рабочих дней. Исследования проходят на генном уровне, и мы с уверенностью на сто процентов можем назвать основного возбудителя заболевания, а значит, и выработать методику лечения.

В очаге заболевания и на прилегающих участках применяются защитные мероприятия. Сухие растения, как правило, удаляются во избежание распространения с них болезнетворных микроорганизмов на соседние сеянцы. Частично пораженные и визуально здоровые растения обрабатываются химическими средствами защиты. Вместе с рекомендацией химического препарата против выявленного заболевания в центре дают дополнительные консультации, как улучшить условия для дальнейшего развития растений и избежать повторного возникновения инфекции: например, уменьшить полив или обеспечить более частое проветривание теплиц. Можно получить информацию о том, являлись ли насекомые-вредители фактором заболевания. Помимо нанесения прямого ущерба растениям в процессе питания, они также могут переносить возбудителей болезней. Все это «записано» в генах растений, их патогенов и вредителей.

Кстати, когда практика генетической диагностики болезней растений только зарождалась, ученые выезжали непосредственно на места обнаружения очагов и отбирали пробы прямо в лесных питомниках или насаждениях. Сегодня достаточно небольшого фрагмента материала, который можно переслать и экспресс-почтой, чтобы в лаборатории фитопатологического центра лесных древесных видов провели исследование и выявили конкретное заболевание либо целый спектр негативно влияющих факторов.

В Институте леса заглядывать в цепочки ДНК смогли после установки здесь системы полногеномного секвенирования. Прибор позволяет детально изучать ДНК и полностью расшифровать геном любого организма — человека, животного, насекомого, растения. Системный блок геномной машины состоит из 8 винчестеров, каждый вмещает по 12 терабайт генетической информации. Чип, в который помещается исследуемый образец, имеет 10 миллионов ячеек. Каждая из них — это полноценный микроприбор.

Выявить и каталогизировать

Схема работы ученых пошаговая. Например, на растении паразитирует микроорганизм. В результате исследования получается генетическая система, состоящая из ДНК растения и паразита. Определенная последовательность методов ДНК-анализа и последующая компьютерная обработка данных позволяют их разделить и получить информацию исключительно о возбудителе болезни. Эта информация анализируется в генетических базах данных, где имеется множество депонированных последовательностей ДНК различных видов, включая грибы, бактерии и вирусы. Используемых баз в институте несколько — собственная и международная.

— Наши самые распространенные «клиентки» — сосны и ели. Как и у всех растений, их паразиты — чаще всего грибы, — раскладывает работу пошагово Станислав Пантелеев. — Мы изучаем заболевание, возбудителя и, главное, выделяем его уникальный набор генов. Участок ДНК, по которому в следующий раз возбудителя заболевания будет легко определить. Это важно при выявлении малоизученных или ранее не описанных видов микроорганизмов. Схожие исследования ведутся по всему миру.

Кстати, белорусские фитопатологи постоянно вносят свою лепту в мировую науку. Они первыми на планете расшифровали геном возбудителя заболевания фомоз. Именно методы генетики помогли установить, что под многими общими определениями классических учебников по фитопатологии скрываются очень разные по своей этимологии заболевания, а значит, имеющие и различные способы лечения. Генетики работают не только с последствиями, они готовы к планированию устойчивых лесов. Это особенно актуально в условиях изменения климата. Леса планеты сохнут. В последние годы в стране сокращается число елей и ясеней. Не обошли проблемы и сосну, ослабленные деревья становятся жертвами вредителей (короеда). Работники системы лесного хозяйства и ученые выдержали многолетнюю битву с этим насекомым. Можно сказать, спасли белорусские леса. Так сможет ли генетика прийти на помощь?

Будут отбирать по генам

Ученые утверждают, что дерево — мощнейший организм, способный противостоять серьезным болезням, переломам, обрезкам, заморозкам, неблагоприятным условиям жизни. Различные породы деревьев живут сотни лет. Основные условия долголетия и здоровья прямо как у человека. Первое — питание. Главное здесь — вода: если ее мало, у дерева снижается иммунитет и оно не способно сопротивляться вредителям и болезням. Второй момент — генетика. Среди деревьев тоже есть долгожители, крепыши, умеющие приспособиться и выжить в различных условиях. Гены таких экземпляров особенно ценны. Белорусские ученые сегодня отбирают лучший посадочный материал не только с помощью классической селекции, но и экспериментируют с генами и клонами растений.

Большие проблемы всегда начинаются на молекулярном уровне. Поэтому важно разобраться не только в геноме растения, но и вируса, бактерии, грибка, которые его поражают. Война с паразитами ведется на генетическом уровне. Одна из задач ученых — вырастить саженец, устойчивый к проблемной среде. Если можно спрогнозировать будущую жизнь растения, почему бы ее не скорректировать?

— Мы находим потрясающие экземпляры. Представьте, участок леса, полностью пораженный корневой губкой, а в середине несколько совершенно здоровых деревьев, — приводит пример Станислав Пантелеев. — Как такое возможно? Просто эти растения, а точнее несколько поколений их предков, выработали систему защиты от этого убивающего деревья гриба. Значит, они нам подходят. Главное — не только заняться их классической селекцией, но и найти генетические особенности, отвечающие за эти важные параметры. Проще говоря, найти уникальные гены, по которым, как по маркерам, мы сможем отбирать деревья для будущей селекции и клонирования.

Более того, если «поколдовать» с генами, можно вырастить дерево под промышленные задачи. Механизм переноса генов объяснить довольно просто (сделать сложнее). Берутся специальные бактерии. Они могут передавать свои гены растениям. Если вставить в их структуру нужный ген, они передадут его адресату. Интересно, что для получения трансгенных деревьев нужно использовать триплоидные растения, которые не смогут скрещиваться с обычными соснами, березами, липами. Это необходимо для того, чтобы не происходила передача чужеродных генов в природные популяции. Промышленное применение будет актуально через 30 лет, когда вырастут транс генные плантации. Еще один путь селекции — клонирование. Используются генотипы растений, которые обладают уникальными свойствами, например, не подвергаются воздействию определенных заболеваний или других неблагоприятных факторов. Селекция сегодня проходит на уровне клетки, поэтому ускоряется на десятилетия. Раньше селекционерам необходимо было ждать не один год, чтобы выяснить, как будут вести себя экспериментальные деревья в условиях заморозков, загазованности или засухи. Потом отбирать лучшие экземпляры для черенкования. Теперь такие испытания, или, скорее, «закалка», проводятся на уровне клетки.

Ученые уже заглянули на клеточный и генный уровень, важно, чтобы человек, стараясь улучшить природу, не нарушил ее хрупкое равновесие.