Жизнь, которую мы создали. Как пятьдесят тысяч лет рукотворных инноваций усовершенствовали и преобразили природу - Бет Шапиро

в Колледже наук об окружающей среде и лесничества при Университете штата Нью-Йорк. Прежде всего они предприняли попытку улучшить гибридные деревья, повысив в их геномах долю ДНК американского каштана. Ученые из Фонда запустили рассчитанную на тридцать с лишним лет программу обратного скрещивания, в рамках которой скрещивали устойчивые к грибку гибриды с чистосортными американскими каштанами. С каждым поколением доля ДНК американского каштана в геноме каждого дерева повышалась. Сегодня, через три поколения, получены деревья, которые на 85 % американские каштаны и на 15 % китайские. Однако и устойчивость к грибку у них не такая надежная, как у деревьев, у которых больше ДНК китайского каштана, а это наводит на мысль, что ее обеспечивает не один какой-то ген, а совокупность генов, действующих согласованно. При всем своем несовершенстве эти деревья способствуют возвращению американского каштана. Сегодня под эгидой Фонда высажено уже 40 восстановительных рощ по всему изначальному ареалу произрастания американского каштана.

Гибридные деревья Фонда американского каштана – это хорошая, но не идеальная замена чистосортных американских каштанов. Беда в том, что гибридизация – метод медленный и неточный. Трудно контролировать, какие именно части генома наследуются, а успех каждого поколения невозможно оценить, пока дерево не достигнет достаточной зрелости, чтобы у него проявились симптомы грибковой инфекции. Направлять селекцию способна геномика, однако для этого нужно, чтобы растениеводы точно знали, какой именно участок генома обеспечивает черту устойчивости к грибку, – но как раз этого они и не знают. Естественно, если бы было известно, какие гены стоят за устойчивостью, никому не потребовалось бы возиться с гибридизацией и селекцией, из-за которых столько путаницы с геномами. Можно было бы сразу обратиться к генной инженерии. Чем, собственно, и занимаются еще с 1990 года Уильям Пауэлл и Чарльз Мейнард.

В сотрудничестве с Фондом американского каштана и необычайно разнообразной группой специалистов и энтузиастов Билл Пауэлл и Чак Мейнард, профессора из Колледжа наук об окружающей среде и лесничества Университета Сиракьюс в штате Нью-Йорк, разработали технологическое и биологическое ноу-хау для создания трансгенного американского каштана, устойчивого к грибковой инфекции, – а потом взяли да и создали такое дерево. Их трансгенный американский каштан сейчас проходит проверку Агентства по охране окружающей среды США перед тем, как его начнут высаживать в естественных условиях. Если его одобрят, это будет первое генно-инженерное растение, разработанное и применяемое для восстановления лесов.

Чтобы остановить каштановую болезнь, Пауэлл и Мейнард должны были пресечь распространение грибка в древесине. По мере разрастания язв в толще дерева распространяется перистая грибница, которая вырабатывает токсичное соединение – щавелевую кислоту. Кислота прожигает ходы через клетки растения, чтобы создать полости для дальнейшего распространения грибка. Пауэлл и Мейнард решили, что если как-то нейтрализовать кислоту, грибок не сможет разрастаться и дерево не погибнет.

Каштаны – не единственные растения, которым приходится иметь дело с кислотообразующим грибком. Такой же опасности подвергаются самые разные растения – от арахиса, бананов и земляники до мхов, трав и даже других грибов. У многих из них в ходе эволюции появились механизмы для борьбы с инфекцией. Пауэлл и Мейнард начали с того, что изучили, как другие растения противостоят кислотообразующим грибкам. Они перенесли несколько генов, нейтрализующих грибок, в геномы американского каштана и обнаружили, что один такой ген – ген пшеницы, вырабатывающий фермент оксалат-оксидазу, – особенно хорошо обеспечивает устойчивость к грибку у каштановых деревьев. Оксалат-оксидаза разлагает щавелевую кислоту и нормализует кислотно-щелочной баланс растительных тканей. Поскольку грибок при этом не погибает, данный метод еще и избавляет его от эволюционной необходимости найти способ выйти из-под контроля. То есть грибок может сосуществовать с американским каштаном так же, как и с китайским и японским. У этого трансгенного организма есть и другое симпатичное качество. Поскольку ген устойчивости взят у пшеницы – распространенного съедобного растения – и фермент оксалат-оксидаза, который он вырабатывает, вырабатывается и у многих других растений, важных для сельского хозяйства, мы его постоянно едим в больших количествах. И если кому-то захочется побаловать себя жареными американскими каштанами (а лично я собираюсь это сделать при первой же возможности), доля оксалат-оксидазы в его рационе едва ли изменится.

Общее обследование трансгенного американского каштана, которое проделали ученые, позволило выявить и другой отрадный факт: устойчивыми к грибку оказались даже деревья, унаследовавшие только одну копию гена оксалат-оксидазы. А поскольку деревья могут обойтись только одной копией трансгенной ДНК, трансгенные деревья можно скрещивать с дикорастущими – как целенаправленно, в лаборатории, так и в естественных условиях, и тогда устойчивость к грибку унаследует целая половина их потомства. А все генетическое разнообразие, сохранившееся у зомби-деревьев и у экспатов, легко передастся трансгенной популяции. И все разнообразие функционально вымершего американского каштана будет воссоздано без разбавления генома – за исключением добавления одного-единственного крошечного гена, эволюционировавшего у пшеницы.

Процесс официального одобрения американского каштана, устойчивого к грибковой инфекции, оказался непростым. Поскольку это первый трансгенный организм, нуждающийся в разрешении выпускать его в естественную среду, а не использовать на ферме или в качестве лекарства, регуляторных прецедентов на этот случай нет. Деревья трансгенны, а это означает, что Служба контроля здоровья животных и растений при Министерстве сельского хозяйства США имеет возможность классифицировать их как потенциальный сорняк. На самом деле вообще вся работа, в том числе создание экспериментальных посадок в контролируемой среде (ветви с цветами и плодами обертывали пластиковыми пакетами, чтобы не выпустить трансгенные клетки за пределы экспериментальных полей), проводилась в соответствии со специальными разрешениями министерства сельского хозяйства. Но ввести особые правила для этих деревьев, вероятно, захочет и Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами, поскольку и люди, и домашние животные почти наверняка будут есть их плоды, а задача Управления – обеспечивать безопасность нашей пищи. Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами предпочло не брать на себя главную роль в официальном одобрении каштанов, устойчивых к грибку, однако оно проверяет все документы и экспериментальные данные, предоставленные исследователями. Регулировать распространение американских каштанов, устойчивых к грибку, имеет право и Агентство по охране окружающей среды – по федеральному закону об инсектицидах, фунгицидах и родентицидах, так как добавка оксалат-оксидазы квалифицируется как «инкорпорированный протектант растений». А поскольку ареал произрастания американского каштана распространяется почти на весь восток континента, трансгенные каштаны должны получить одобрение и канадских регуляторов; правда, Пауэлл рассчитывает, что опыт получения одобрения в США поможет ему ускорить этот процесс.

Пока что работа по восстановлению популяции американского каштана продолжается. В 2019 году трансгенные каштаны, устойчивые к грибку, были высажены в нескольких штатах, что послужило началом долгосрочного исследовательского проекта, цель которого – на примере разных