Генная инженерия — завтра селекционного процесса. Чтобы освоить ее, ученые опираются на генетику, расшифровывающую строение хромосом и генов молекулярную биологию, на обладающие огромной памятью и быстродействием ЭВМ.
«В начале было Слово».
С первых строк —
Загадка. Так ли понял я намек?
Ведь я так высоко не ставлю Слова,
Чтоб думать, что оно всему основа».
Этот отрывок из фаустовского монолога может и сегодня послужить иллюстрацией к тем творческим сомнениям, что одолевают порой ученого, исследователя. Наше знание вечно мечется между гипотезой и экспериментом, интуитивным предположением и опытом, «мыслью изреченной» — Словом и научным Фактом.
Будто в подтверждение, Н. В. Тимофеев-Ресовский — питомец замечательной русской школы генетиков Н. И. Вавилова, Н. К. Кольцова, С. С. Четверикова — в своей последней статье писал: «Генетика в нашем веке появилась в качестве запоздалого, но совершенно необходимого звена механизма эволюции, более ста лет назад увиденного гениальным Ч. Дарвином. Дарвин действительно увидел в природе принцип отбора и благодаря этому смог построить основы эволюционной теории. Дарвин назвал свою главную книгу «Происхождение видов путем естественного отбора», тем самым предельно ясно дав понять, что эволюционная теория должна строиться на основе приложения принципа естественного отбора к тому, что он назвал «неопределенной изменчивостью», — к ненаправленной, статистической изменчивости, касающейся как самых крупных, так и самых мелких признаков…
К сожалению, во времена Дарвина ничего не было известно об элементарном эволюционном материале. Цитологии практически не существовало, хромосом никто не знал, и главная работа Менделя была опубликована позже основной книги Дарвина. Все это делало гигантскую работу, произведенную Ч. Дарвином, какой-то беспочвенной: в основе теории эволюции была «неопределенная изменчивость», которую никто ясно себе не представлял».
Итак, в становлении одной из основополагающих биологических теорий — эволюционной — сначала, образно говоря, было Слово. Не потому ли дарвиновское открытие даже спустя десятилетия кое-кем встречалось в штыки? Оппоненты нажимали на отсутствие конкретных данных, способных доказать правоту постулатов великого естествоиспытателя.
В очень похожем положении оказались в свое время и селекционеры-практики. С XVIII века они создавали новые сорта растений. И часто преуспевали в этом: работники французской фирмы «Вильморен» создали, например, сорта сахарной свеклы, которые содержали почти втрое больше сахара, чем исходные. Причем они ввели в обиход принятую и сегодня оценку отбираемых образцов по их потомству и показали возможность «поправлять» природу растений в нужную сторону. Тем не менее дело это оставалось скорее искусством, а не планомерной работой, ибо успех приносил все-таки счастливый случай, рождающийся из тысяч и тысяч проб. И никто не мог сказать заранее, какой вариант ведет к появлению искомого признака и не исчезнет ли он в будущем столь же неожиданно, как и возник. Да и могло ли быть иначе, если принципы изменчивости для селекционеров оставались столь загадочными, как и прежде?
Отправной точкой дальнейшего движения вперед послужило замечательное открытие неведомого большой науке XIX столетия исследователя-любителя, чешского монаха Грегора Иоганна Менделя. Экспериментируя с горохом, он сделал вывод, что любой живой организм обладает каким-то носителем всех своих признаков, который точно воспроизводит их в потомстве. И если в результате скрещивания у растений появляются новые сочетания признаков, то, во-первых, они являются перекомбинацией признаков родителей, а, во-вторых, частоту новых сочетаний можно предсказать заранее. В 1866 году в 120 библиотек разослал естествоиспытатель свою брошюру. Но, как бывает, научное мировоззрение тогда еще не было подготовлено для восприятия идей Менделя.
Минуло 34 года. В 1900 году Г. де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Англии независимо друг от друга и на разных объектах показывают: наследственность — явление закономерное, и диктует ее не случай, а некий механизм, отвечающий за то, чтобы не прервалась цепь жизни, чтобы родительские признаки повторялись в близком и даже далеком потомстве. Год публикации именно этих работ стал датой рождения новой биологической дисциплины — генетики (кстати, само понятие «ген» ввел в обиход датчанин В. Л. Иогансон лишь через девять лет). Наконец, в 1911 году американец Т. X. Морган установил, что носители наследственности в ядре клетки размещены не как попало, а в определенном порядке — подобно бусинам, собранным в ожерелья-хромосомы.
Что же из этого следовало?
В селекции (а ведь наша книга посвящена ей) веками царил массовый отбор. То есть намечали лучшие растения, их семена отбирали и высевали рядышком. Примерно с середины XIX столетия метод несколько изменили: семена лучших растений принялись сеять раздельно — чтобы было легче выявлять то, ради чего начинали поиск. Ну, а генетика, буквально едва появившись на свет, указала на недостаточность и этого якобы усовершенствованного подхода. Почему? Да просто когда берут семена одного, пусть даже отменного растения, ничего нового в наборе генов скорее всего не получить. Иное дело, если сводить воедино генотипически различных «отцов» и «матерей». Словом, утверждали генетики, возможности отбора для выведения сортов невелики. Но отказаться от привычного, вчера представлявшегося незыблемым метода оказалось нелегко.
И все же постепенно скрещивания превратились в основной инструмент конструкторов растений.
А генетики углубляли поиск. И многие пионерские исследования 20—30-х годов осуществили советские ученые. Так, на предыдущих страницах книги мы неоднократно говорили об огромном вкладе в эту науку академика Н. И. Вавилова. Рассказывали и об основополагающих изысканиях профессора Г. Д. Карпеченко. В лаборатории профессора Г. А. Левитского, возглавившего работы по изучению морфологического строения хромосом, впервые в мире измерили (!) такие микроструктуры и дали их анализ применительно ко многим культурам, в том числе столь широко распространенным в сельском хозяйстве, как рожь, ячмень, горох, свекла, бобы, чай. Еще один представитель отечественной науки — Н. К. Кольцов — изучал генетику животных и среди них — кур, овец, крупного рогатого скота. Однако самое главное, сделанное им, заключено в другом. Он выдвинул идею о том, что каждая хромосома представляет собой единую гигантскую молекулу, состоящую из двух нитей, каждая из которых «сложена» из отдельных генов. И новые генонемы создаются только на старых — будто на матрицах. Все это оказалось гениальным предвосхищением предстоящих — через 30 лет! — открытий молекулярной биологии. Другому советскому ученому — А. С. Серебровскому — принадлежит мысль о существовании сигнальных генов и о возможности использования их в качестве маркеров при установлении характера наследования количественных признаков (увы, в практику и это вошло гораздо позже). Он же сформулировал положение о делимости гена, первым привлек математику к решению генетических проблем, показал возможность применять отдаленную гибридизацию в селекции животных (правда, некоторые его статьи и книги, написанные в 30-е годы, увидели свет лишь тремя десятилетиями позже). Классиком современной биологии зовут С. С. Четверикова, объяснившего с точки зрения генетики эволюционный процесс, что подвело Опыт под Слово теории Ч. Дарвина.
Тем не менее эти и иные достижения вовсе не означали, что молодую науку приняли с распростертыми объятиями. И опять беда ее заключалась в том, что многие ее положения, как и прежде, явно опередили время: к их восприятию не было готово мировоззрение большинства ученых, да и проверить смелые выводы зачастую не представлялось возможным — на свете не существовали соответствующие методы и приборы. И еще. Заботясь о становлении новой науки, ее приверженцы, естественно, основную энергию направили на развитие теоретических начал, да и опыты вели преимущественно на мушке дрозофиле: уж очень удобен этот объект для наблюдений. А ученым-прикладникам нужны были четкие советы и рекомендации применительно к конкретной сельскохозяйственной культуре, к конкретной породе животного…
Короче, в конце 20-х годов к генетике несколько охладели даже селекционеры-доброжелатели. Что же говорить о людях иного толка! Сейчас даже трудно представить, но было время, когда менделевское расщепление и комбинирование признаков объявили противоречащими дарвиновской теории эволюции. Справедливости ради заметим, что нашлись и такие «последователи» Г. Менделя, которые считали дарвинизм устаревшим… Конфликт нарастал…
Многое в нем объяснялось и субъективными причинами. Дело в том, что признание основных положений новой науки: существования генов — носителей и стражей наследственной информации — требовало от биологов не пересмотра отдельных положений, а коренного изменения прежних взглядов, признания принципиальных ошибок. К сожалению, не все ученые смогли отказаться от привычных воззрений.
Большой вред биологической науке нанесло противодействие развитию генетики тех, кто упорно отстаивал устаревшие взгляды. Используя порой методы, далекие от принятых в научной практике и от обычной этики, они пытались дискредитировать и генетику в целом, и ее приверженцев. Случалось, в ход шли и неверно поставленные опыты, результаты которых подгонялись под заранее заданную схему, и «волевые» решения, и администрирование, и всяческие запрещения, и нажим на «непокорных». Прибегали и к тому доводу, что гена никто воочию не видел, хотя та же периодическая система элементов или многие спутники планет, звезды были открыты, как говорится, на кончике пера. Понадобились электронные микроскопы, показавшие и гены, и хромосомы, ряд иных неопровержимых доказательств, чтобы окончательно утвердить постулаты новой науки. Но прежде прошли годы и годы…
И все-таки генетика крепла и развивалась. Ученые в кропотливых исследованиях добывали неопровержимые факты, утверждавшие истину. Так, было выяснено, что гены контролируют процесс синтеза белков в клетках, а мутации ведут к изменению химической структуры белков, причем в ряде случаев для существенного сдвига свойств организма достаточно одну аминокислоту заменить на другую. В 1953 году английский физик Ф. Х.К. Крик и американский биохимик Д. Уотсон сделали выдающееся открытие, расшифровав строение ответственной за наследственность дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая, как оказалось, имеет вид двойной спирали. А гены представляют собой строго локализованные ее отрезки, причем в каждой хромосомной нити они «сидят» так, что в общем дополняют друг друга. В результате спирали подходят друг к другу, как ключ и замок. За эту работу ученые удостоены Нобелевской премии. Позже была начата расшифровка наследственного кода кукурузы, пшеницы, других сельскохозяйственных культур.
Так генетика на практике доказала: только она поможет селекционерам сократить время, необходимое для создания сортов. И верно: как иначе, например, среди без малого 48 тысяч образцов различных пшениц найти те несколько, которые станут отправной точкой планируемого поиска? Как разобраться в многообразных свойствах потомства, возникающих при скрещивании? Ведь всего при десяти сводимых воедино признаках, каждый из которых контролируется только одним геном, во втором поколении, когда начинают отбор, исследователю придется проанализировать 1048576 растений. Если скрестили два сорта пшеницы, различающиеся по 21 гену (скажем, по одному в каждой хромосоме), то во втором поколении надо просмотреть 2 097157 растений. Что и говорить, гигантский объем исходного материала! А селекционеру нельзя пропустить ни одно из этой массы, поскольку иначе можно потерять именно тот уникум, который мог бы дать начало новому сорту. Наконец, как без генетики контролировать искусственные мутации для направленной перестройки наследственного аппарата растительных организмов?
Но единение двух наук — селекции и генетики, их взаимное плодотворное сотрудничество — конечно же, дело очень и очень непростое. Тем отраднее, что сегодня в нашей стране их активное сближение становится реальным практическим процессом.
Эффект триады
Специализация и концентрация производства на базе кооперации и агропромышленной интеграции — магистральный путь развития современного социалистического сельского хозяйства. Этот объективный процесс охватывает все республики нашей страны, но с особенным размахом уже в начальном периоде он проявился в Молдавии. Важным звеном его стали научно-производственные объединения (НПО).
В каждом НПО, как они сложились в Молдавии, органично слились исследовательский институт и несколько совхозов. В результате вместо небольших экспериментальных участков или ферм ученые получили крупные опытные полигоны. НПО стали важным звеном революционных преобразований в земледелии и животноводстве Молдавии, поскольку под мощные сельскохозяйственные предприятия, появившиеся вследствие специализации и концентрации, была подведена столь же масштабная научная база.
Однако тем плюсы объединений не исчерпаны. Задача задач молдавских ученых-аграрников — непрерывно и быстро улучшать имеющиеся «биомашины» — сорта, гибриды, породы. Раньше даже при удаче у селекционера на очередной сорт уходило не менее 13 лет. С появлением же НПО этот период сократился чуть не вдвое! Ведь, во-первых, размножение семян с делянок перевели на большие площади. Во-вторых, сама структура НПО прочно связала ранее разобщенные начало поиска и внедрение в производство, а исследования отделов селекции, физиологии, биохимии, математики, других научных подразделений подчинила единой цели: выведению сорта. Все это позволило НПО «Днестр» только за четыре года передать практикам 28 сортов овощных культур, в том числе томаты Зориле и Факел, каждый из которых по сравнению с предшественниками принес дополнительно 60—100 центнеров с гектара. А НПО «Гибрид» в не менее сжатые сроки отправило на государственную проверку 14 новых гибридов и 2 сорта кукурузы…
О кукурузе разговор особый. Этой ценнейшей сельскохозяйственной культуре отводится важная роль в растениеводстве и — как составной части кормов — в животноводстве Молдавии. Однако наращивать ее производство, скажем, в Молдавии, все труднее. Ведь добавочные посевные площади в республике взять неоткуда. Значит, дело за конструкторами растений — им предстоит улучшить эту культуру.
В самом деле, тот же початок, хотя с виду богатырь, да вес набирает медленно. Оставляет желать лучшего и качество зерна, листовой массы. Нужны, очень нужны гибриды, свободные от недостатков нынешних. К сожалению, быстро их не вывести даже в НПО «Гибрид», если там или в других объединениях селекционеры по-прежнему будут «выуживать» из огромного объема исходного материала наиболее перспективные образцы, то есть работать, опираясь на интуицию и опыт, а не на законы генетики. Нет, современное, вставшее на индустриальную основу, сельскохозяйственное производство не может зависеть от во многом случайных, не поддающихся строгому учету и обоснованному прогнозу факторов. Только генетика позволит с определенной степенью точности планировать «конструирование» растений. В частности, у кукурузы выявлено порядка 500 генов и локализовано уже 300. На практике же селекционеры использовали десяток. А ведь это лишь один пример…
Вот почему в Молдавии решили покончить с положением, когда, с одной стороны, сделанное генетиками надолго «повисает в воздухе», а с другой — они, занятые фундаментальными исследованиями, оказываются не в курсе насущных запросов селекционеров. Комплексный подход к решению важнейших проблем, сводящий воедино теоретические и прикладные исследования с реальными нуждами практики, знаменовал собой новый этап преобразований в земледелии и животноводстве республики.
Но продолжим наш разговор о кукурузе. Точнее о том, как добиться ее устойчивости к засухе. Достичь желаемого можно, ускорив развитие культуры в период вегетации. Тогда обычную для Молдавии жару во второй половине лета она встретит достаточно сформированной и легче выдержит невзгоду. Но возможен и иной подход к проблеме: изменить само растение. Например, «снабдить» его мощной корневой системой, что проникнет в нижние слои почвы, где долго сохраняется влага. Или «оснастить» листьями с меньшей суммарной поверхностью и по-иному расположенными на стебле, которые станут экономнее испарять воду, В итоге тоже будет обеспечена засухоустойчивость. Итак, цель одна, зато средства ее достижения различны. Какое выбрать?
Схожая головоломка возникает, если поставить задачу увеличить продуктивность кукурузного гектара. К тому ведут тоже два пути. Можно перейти на короткостебельные формы: таких растений на единице площади поместится больше. Либо выводить кукурузу без лигул — своеобразных язычков на стебле, мешающих листьям расти под более острым углом, из-за чего в конечном счете снижается интенсивность фотосинтеза. И хотя оба метода приводят к одному — урожай на гектаре растет, но реализация их настолько сложна, что одновременно брать на вооружение и тот, и другой нельзя. Отсюда снова неизбежность окончательного выбора.
Да, выбор никогда легко не дается. Тем более селекционерам, которые вынуждены делать его еще до начала работы: малейший просчет на первом этапе скажется через годы кропотливого труда, сведя на нет все хлопоты и надежды.
Конечно, эти и другие проблемы не вчерашние. Но раньше было проще: берясь за создание очередного гибрида кукурузы, конструктор растения ставил перед собой одну-две задачи. Специализация и концентрация сельского хозяйства заставили подходить к делу с иным мерилом. Теперь молдавские земледельцы признают новинку, когда она обладает комплексом ценных признаков без четкой программы, предусматривающей все шаги будущего поиска, с этим не справиться — таково убеждение сотрудников НПО. Теперь нельзя мириться с тем положением, когда к разработке нового сорта или гибрида, который впоследствии займет десятки тысяч гектаров, приступают по старинке: без обоснования основных требований, без четкого представления последовательности действий. Поэтому, например, в «Днестре» с 1973 года разрабатывают и утверждают программы на конструирование сорта овощных культур. И, наверное, не случайно именно здешние «питомцы» в последнее время заняли более чем 90 процентов овощных плантаций республики.
Итак, жесткая программа на будущий сорт. Требование, выдвинутое логикой нынешних преобразований в сельском хозяйстве вообще и в сельскохозяйственной пауке в частности. Но тем ломка привычных правил селекционного дела не ограничилась.
Фундамент строительства сорта ли, гибрида ли — исходный растительный материал, соединение свойств которого в определенной комбинации и приводит к появлению на свет новых качеств. Традиционно этот исходный материал селекционер искал среди образцов, высеянных или высаженных им на опытной делянке. Подобные участки есть и в НПО «Гибрид» — на них проверяют образцы кукурузы, поступившие из разных частей света. Бывают годы, когда тут одновременно экзаменуют до 4 тысяч разных сортов и гибридов… Дело хлопотное, требующее ювелирной точности, умения, пожалуй, и вдохновения — по едва приметному проявлению уловить суть глубинных процессов. Игра, как говорится, стоит свеч, если идет по-настоящему новое, истинно пионерское изыскание. Например, такое: отыскать образцы кукурузы, наделенные обоеполой стерильностью, случай исключительной редкости! Из 3 тысяч претендентов нашлись лишь три образца в Молдавии и один в Средней Азии. На подобные исследования не жалко тратить силы, время, средства — в науке сказано новое слово. А зачем нести расходы на обнаружение в принципе известного? Тут надо обращаться к уже имеющимся источникам информации. Скажем, в ВИР — его богатейшая коллекция проанализирована, и если бы полученные данные были систематизированы, то по заказу селекционера ЭВМ выбирала бы ему необходимые образцы. Именно такой помощи от самого полного собрания сочинений природы ждут, например, в объединении «Днестр», где ищут генетические материалы для «воспитания» у томатов устойчивости к неблагоприятной погоде. Здесь хотели бы придать их семенам способность всходить ранней весной, когда почва еще не прогрета, — тогда появилась бы возможность сеять их прямо в поле, а не выращивать, как сейчас, сначала рассаду в парниках, что очень дорого. Хорошо бы «приучить» помидоры не терять первые кисти будущих плодов под ударами поздних весенних заморозков: рентабельность культуры резко увеличится за счет раннего урожая. Снова и снова будут обращаться исследователи к богатствам коллекции, заложенной в прежние годы Н. И. Вавиловым, сохраняемой и пополняемой его учениками и последователями.
Да, современное интенсифицированное сельское хозяйство торопит науку. И молдавские НПО стараются не отставать от требований дня: скорость и экономичность они включают в важнейшие компоненты исследований. На это работает введенное тут новшество — заранее составляемые программы на создание сорта или гибрида. К той же цели направлены их стремления навести порядок в генофонде многих сельскохозяйственных культур. Но тем перемены не исчерпываются.
…В НПО «Гибрид» развернули исследования, цель которых — насыщение кукурузы качественным белком и незаменимыми аминокислотами. Сама постановка задачи обрела реальность благодаря открытию в 1964 году американцами Е. Т. Мертцем и О. Е. Нельсоном гена опейк-2, что позволило удваивать количество лизина в зерне и на столько же снизить плохо усвояемую скотом зеиновую фракцию белка, и последующим работам в Краснодаре академика ВАСХНИЛ, Героя Социалистического Труда, лауреата Ленинской премии М. И. Хаджинова.
Однако ученым Молдавии надо было создать не вообще высоколизиновые растения, а применительно к местным условиям. Причем жизнь требовала ускорения поиска — в ходе специализации и концентрации в республике возникали крупные животноводческие комплексы, которые без полноценных кормов существовать не могут. Поэтому в «Гибриде» стали действовать иначе, чем было принято: сначала среди тысяч претендентов «на ощупь» выбирать родительские пары, потом проводить бесконечные варианты скрещиваний. Тут взяли на вооружение математически точные законы генетики. Исследователи знали, что опейк-2 — ген рецессивный, то есть в аллельной паре его легко подавляют гены доминантные. Зато в клетке, содержащей одинаковые гены данной аллельной пары (в так называемом гомозиготном состоянии), он проявляет себя отменно. Значит, ему надо создать подходящие условия. Как? В «матери» взять обычный для Молдавии гибрид. «Отцом» же сделать такой, в наследственную программу которого введен знаменитый носитель драгоценных свойств. И посеять их рядом, изолировав от посторонней пыльцы. Таким способом в небывало короткий срок НПО создало шесть гибридов, превзошедших предшественников по лизину на 22—35, по триптофану — на 16 процентов.
Отойдя от привычных канонов селекции, ученые изменили и прием выращивания кукурузы на семена. Дело в том, что у этой культуры возделывают не сорта, из поколения в поколение несущие заложенные признаки, а быстро расщепляющиеся на исходные формы гибриды, которые заметно обгоняют сорта по урожайности. Чтобы расщепления избежать, семена, предназначенные хозяйствам, ежегодно обновляют, опять и опять соединяя в них апробированных «родителей», для чего на специальных участках чередуют четыре рядка материнских растений и два — отцовских. А это невыгодно: ведь два-то участка после того, как их растения выбросили пыльцу, в дальнейшем не используются. Как быть? Ответили на вопрос селекция в соединении с генетикой… Ученые из НПО «Гибрид» ввели в отцовские растения ген ТБ, открытый американскими исследователями, благодаря чему удалось вдвое растянуть срок цветения кукурузы и втрое увеличить выход пыльцы. В масштабах страны это поможет дополнительно ввести в оборот десятки и десятки тысяч гектаров.
Селекция, мыслящая генетическими категориями… Многое ей по силам. Например, в НПО «Днестр» вывели великолепный сорт томатов — Нистру. Созревает он дружно и быстро. Убирают его машины. Почти не боится злейшего врага помидоров — фитофторы. А по урожайности вдвое превышает самого лучшего предшественника. Причем этот сорт — не случайная находка, не итог многолетнего селекционного марафона, а результат расчета, обеспеченного принятым в «Днестре» законом: селекция без генетики шага не делает…
Показателен опыт сотрудничества двух наук, когда в «Днестре» взялись за работу по резкому сокращению сроков создания сортов томатов. Для этого определяют расположение генов или их «блоков», ответственных за тот или иной признак. По мнению здешних исследователей, в данном случае самым лучшим оказывается так называемый метод нехваток. Пыльцу помидоров отбирают в момент, когда в ней идет два последовательных деления клеточного ядра, а хромосомы удваиваются лишь один раз (биологи такое состояние называют мейозом). Тут-то на клетку обрушивают «удар» — то ли рентгеновских лучей, то ли специальных химических веществ. Хромосомы не выдерживают атаки, рвутся — образуется, как говорят, нехватка. Причем тем больше, чем солиднее доза воздействия. Остается провести анализ получившихся форм. А для пущей уверенности вырастить из них растения. И, сравнив их с контрольными, определить, за что «отвечали» гены на погибших участках хромосомы. Ну, а такое знание откроет многое.
Или такой пример. Ученым «Днестра» никак не удавалось существенно увеличить урожайность томатов в закрытом грунте. Известным сортам осенью и зимой в теплицах не хватает света, а Искусственное освещение проблемы не решает. Проверка же 2500 образцов не выявила достаточно нетребовательного к свету экземпляра. Выручил прием из арсенала генетики — химический мутагенез. «Нажим» нитрозоэтилмочевины разорвал нити ДНК. И возник организм, по свойствам несколько отличный от исходных. В частности, у него и его потомства на первый план вышел ранее «закрепощенный» ген (или гены?), усиливающий фотосинтез. В результате урожайность поднялась на 20—30 процентов. Но как сильны взаимосвязи в царстве живой материи: выиграв в продуктивности, томат сильно проиграл в способности сопротивляться болезням и вредителям. Теперь исследователи стремятся вернуть ему былую стойкость.
Однако, работая по методу нехваток, специалисты из «Днестра» вовсе не посчитали его единственным своим оружием. Это, скорее, путеводная нить, что может провести через лабиринт неизвестного к сокровищнице наследственного аппарата. А прерваться ей не позволяет in vitro — метод выращивания частей растений на искусственных питательных средах, в колбах и пробирках. Процесс этот тонкий, требующий особой тщательности, соблюдения безупречной стерильности, температурного режима, сопряженный с другими строгостями и сложностями. Но цель того стоит! Почему?
Селекционер скрещивает родительские пары. После опыления в пыльниках развиваются половые клетки. И уже на этой, изначальной стадии, исследователь попадает во власть случая, поскольку на ход мейоза влияют внешние условия, прежде всего — температура. А как защититься от них на открытой опытной площадке? Далее. Частота перекреста хромосом, при котором между ними происходит обмен одинаковыми участками, в верхних кистях томата составляет 21 процент, в нижних — втрое меньше. Ученому, разумеется, лучше иметь семена с верхней кисти — они дадут более широкий спектр изменчивости. А тут на делянку обрушилась жара, и растение сбросило как раз верхние кисти, представляющие для изыскателя особый интерес. Зато метод in vitro спасает от неприятностей: за стеклом все поддается регулировке.
Еще пример. Соединив родительские пары, получили гибрид первого поколения, поразительный по какому-то признаку. Его бы поскорее вовлечь в дальнейшую работу, да ведь он — единственный. И опять выручает метод in vitro. Ибо если взять у томата клетку меристемы — ткани с кончика корня или почки будущего ростка, — то на питательной среде из нее образуется уменьшенная копия настоящего растения. Сколько набрал клеток, столько и вырастил особей, повторивших свойства выдающегося гибрида.
Слов нет, методы нехватки и in vitro — реальные шаги к тем переменам в селекции, которых требует сегодняшнее сельское хозяйство. А как с еще одной составляющей процесса создания сортов и гибридов: с оценкой исходного генофонда? Наметились сдвиги и здесь.
Иллюстрацией могут служить исследования по альфа-томатину. Этот алкалоид есть в каждом помидоре. Ученые выяснили, что он предопределяет защитную реакцию против грибов, вирусов, даже насекомых. Обнаружилось и другое: растения разных сортов накапливают альфа-томатин в различных своих частях. И если основной его запас собран в листьях, то сорту не страшны фитофтора, вирус табачной мозаики, колорадский жук. Но тогда на томаты активно покушаются галловая нематода, вертициллез, фузариоз. Наоборот, стоит обогатиться альфа-томатином корням, и галловая нематода, вертициллез, фузариоз отступают, листья же остаются беззащитными. Более того, установлено, что и по способности вырабатывать это вещество сорта помидоров не схожи между собой.
Выходит, присутствие альфа-томатина определяется генетическими факторами? Или биохимическими? Ясности пока нет. Зато ясно: селекционеры должны знать носителей этого вещества. И уметь быстро и точно выделять самые ценные из них. Вот почему параллельно с выяснением природы алкалоида в «Днестре» искали экспресс-метод определения его содержания. И нашли — когда обнаружили еще четырнадцать столь же скоростных приемов химической и физиологической сортировки генофонда овощей. Благодаря чему, в частности, в сверхсжатые сроки выведена особо насыщенная каротином морковь сорта Консервный 63.
Таковы рубежи прикладной генетики, завоеванные учеными НПО «Днестр». Как это удалось? С изначальных шагов тут в корне изменили сам подход к переделке живого организма. Дело, всегда казавшееся таинством, требующее чуть ли не озарения, здесь перевели на поток. Но ведь любой конвейер действует, если полностью отлажены обеспечение процесса и последовательность операций. В селекции гарантировать подобные условия могла лишь прикладная генетика. Ее-то и стали усиленно развивать в НПО «Днестр», что, как показала жизнь, выдвинуло объединение в передовые. Хотя, разумеется, прикладная генетика не всемогуща, она должна опираться на фундаментальную генетику. По мнению многих видных ученых Молдавии, идеал — цепь трехзвенная. Два ее звена надо отлаживать ближе к земле, в институтах сельского хозяйства, а одно — в высоких сферах академической науки. Вот эту цепь и выковывает сейчас республиканская наука…
Если говорить в общем, схема взаимодействия частей образующейся триады такова. Селекционеры по составленной программе в той или иной последовательности сводят заранее отобранные родительские пары, отбирают из полученного потомства все лучшее, закрепляя тем самым в наследственной «памяти» растения искомые признаки. Но рекомендуют им родительские формы как раз «прикладники» — генетики и биохимики, которые в соответствии с программой выявляют в исходном материале наличие и места локализации носителей определенных свойств, находят, каким образом вывести на первый план необходимые признаки, то есть в отличие от селекционеров ведут поиск не на уровне генома растения, а в глубине его структуры — хромосомах, генах. Однако представителям прикладной науки часто не по плечу разобраться во всех «пружинах», во всех истинных связях наследственного аппарата, да это и не их задача. Открыть основополагающие принципы и механизмы регуляции системы, которая в живой клетке «командует» наследованием, — прямая обязанность «фундаментальщиков». И хотелось бы, чтобы в некоторые вопросы они побыстрее внесли ясность.
Скажем, любая хромосома состоит из двух частей — светлоокрашенной (гетерохроматиновой) и темной (эухроматиновой). В чем тут дело? Неодинаковая физическая структура? Иная насыщенность генами? Какова генетическая значимость этих частей? Вопросы крайне важны, ибо сейчас главное внимание исследователей обращено на темную область хромосомы. В ней же получают нехватки в результате различных воздействий. А вдруг именно гетерохроматиновая часть генетически важнее? Тогда основные силы нужно направить на ее изучение. Словом, дело за учеными.
Другой пример своеобразной «задолженности» фундаментальной генетики: она должна объяснить, как ионизирующие излучения, химические мутагены действуют не вообще на хромосомы, а на разные их участки. Лишь в этом случае искусственный мутагенез можно будет вести более направленно, быстрее, успешнее.
Наконец, не так уж совершенен и метод нехваток. Используя его, генетики-прикладники, во-первых, чаще «бьют» не по одной хромосоме — по крупным площадям. Конечно, можно поразить цель и с первого выстрела. Но то — везение. Обычно же они добиваются своего за счет огромного числа вариантов опыта. Во-вторых, от хромосомы отрывается достаточно крупный блок. В нем вполне может быть собрана группа генов, ответственных за несколько признаков. Выходит, чистота исследования страдает. Одним словом, «прикладникам» надо работать потоньше — да как? Самим им не решить…
И недаром Академия наук Молдавской ССР активно способствует тому, чтобы селекция, прикладная и фундаментальная генетика все теснее сотрудничали друг с другом. Сделаны уже вполне определенные шаги в этом направлении. Так, академические (особенно в области биологии) разработки направили на решение научных проблем не вообще, а тех, что характерны для сельского хозяйства республики, связаны с главными культурами, возделываемыми на здешних полях, виноградниках, в садах. Плюс к тому четко согласовали планы научной деятельности НПО и институтов академии, чтобы запросы первых оказывались в центре внимания вторых, а результаты исследований вторых быстро доходили до первых. И не только в области генетики. Скажем, в Институте химии Академии наук Молдавии нашли экспресс-метод определения при помощи ультрафиолетового излучения содержания в огурцах кукуритацина — вещества, придающего плодам характерную горечь. Но это лишь один, частный пример связи науки и производства, а их можно приводить все больше и больше.
Революционные преобразования в сельском хозяйстве Молдавии, начатые со специализацией и концентрацией земледелия и животноводства и продолженные в новой организационной форме — НПО, развиваются дальше.
Ну, а параллельно в стране рождаются иные «ускорители» селекционного процесса.