вторник, 5 декабря 2017 г.

Клеточные технологии – в сельскохозяйственное производство

К юбилею Биолого-почвенного института (ФНЦ Биоразнообразия) ДВО РАН

Вольф Григорьевич РЕЙФМАН
Биотехнология растений как научное направление и область практического использования стала развиваться в БПИ ДВО РАН с 1985 года, когда это направление исследований было обозначено заведующим лабораторией биохимии и физиологии растений (ныне лаборатория биотехнологии) Юрием Николаевичем Журавлёвым как главное для лаборатории. Однако становление этого направления произошло не на пустом месте, ему предшествовала большая подготовительная работа в подразделениях института, имеющих «клеточно-молекулярную» составляющую в своих исследованиях. Инициатором и вдохновителем внедрения клеточных технологий в сельскохозяйственное производство был кандидат сельскохозяйственных наук Вольф Григорьевич Рейфман, тогда заведующий лабораторией вирусологии. По его инициативе ряд сотрудников получил необходимую подготовку. В частности, в 1971 году молодой сотрудник института Нина Федоровна Писецкая закончила аспирантуру в лаборатории члена-корреспондента РАН Р.Г. Бутенко в ИФР РАН по применению метода культуры ткани для выращивания суспензий клеток женьшеня и поставила первые эксперименты в этой области на Дальнем Востоке. С именем Н.Ф. Писецкой связана и одна из важнейших разработок того времени – метод получения безвирусных растений картофеля из апикальных меристем в культуре in vitro. Метод был успешно адаптирован к условиям промышленного производства и применяется в семеноводстве картофеля Дальнего Востока и поныне. Большим успехом того времени можно считать создание в Приморье первой в России зоны закрытого семеноводства картофеля на безвирусной основе.

Ю.Н. ЖУРАВЛЁВ, начало 80-х годов
С официальным оформлением нового направления были заложены основы биотехнологии других сельскохозяйственных культур, а также были начаты работы по биотехнологии вторичных метаболитов.

Территория ДВ России относится к зоне рискованного земледелия. В Приморском крае – самой северной границе рисосеяния не только в нашей стране, но и в мире, растения риса испытывают недостаток тепла и солнечной радиации. В то же время почвенные и водные ресурсы края весьма благоприятны для возделывания этой культуры. Подтверждением тому служит положительный более чем полувековой производственный опыт возделывания риса в Приморье. Включение методов биотехнологии в селекционные программы позволяет решать важные проблемы селекции более эффективно, чем при использовании только традиционных методов. В частности, для решения проблемы подбора растений – доноров хозяйственно-ценных признаков могут быть использованы сомаклональные варианты – растения, которые регенерируют в клеточных культурах соматических тканей in vitro. Проблему стабилизации признаков у гибридов и получение гомозиготного материала можно решить значительно быстрее и при этом не потерять ценные рекомбинанты с помощью другого метода биотехнологии, – культуры пыльников и микроспор. В лаборатории биотехнологии БПИ оба эти метода используются в научных исследованиях с учётом особенностей сортов дальневосточной селекции уже более двадцати лет. Таким путем к 1986 году в лаборатории была получена коллекция сомаклональных вариантов стародавних и новых сортов риса, а также андрогенных дигаплоидов перспективных гибридов. Всего было получено более 2000 линий (научным сотрудником лаборатории биотехнологии Верой Николаевной Змеевой). Из коллекции были отобраны сомаклоны с агрономически ценными признаками – безостость, неосыпаемость зерна, раннеспелость и др., которые были переданы в ПримНИИСХ и ПримНИОС риса для дальнейшей селекции. Например, в разные годы мы получили сомаклональные линии генотипа Дальневосточный с неосыпающимся зерном, более ранними сроками созревания, неопушенными зерновками, линию безостого Новосельского. В период работы по гранту ДВО совместно с ПримНИИСХ были получены более 300 линий, часть из которых помещена в селекционные питомники разного уровня как исходный материал для отбора низкорослых высокопродуктивных растений риса. 

Потребность приморской селекции риса и сои в исходном материале и особенно в стабилизации гибридного материала по-прежнему очень велика. В последние годы в лаборатории биотехнологии проводятся исследования, имеющие целью создание стрессоустойчивых растений риса. Для работы с другой важной для Приморского края культурой – соей применяется метод индукции соматического эмбриогенеза в культуре каллусов.

Источником для получения первых культур клеток – продуцентов биологически активных веществ были уникальные представители лекарственной флоры Дальнего Востока – женьшень, кирказон маньчжурский, воробейник краснокорневой. В 1985 году Н.Ф. Писецкой была получена культура каллусов воробейника, из которой в 1988 году селектирован первый в стране промышленный штамм этого растения. В этом же году были получены 22 каллусные культуры женьшеня из растений различных популяций. Чуть позже Виктором Булгаковым были получены культуры кирказона маньччжурского, из которых также были селектированы промышленные штаммы. В 1990 году Виктором Булгаковым была защищена первая в лаборатории кандидатская диссертация по специальности «биотехнология».

Н.Ф. ПИСЕЦКАЯ за работой
Надо отметить, что конец 80-х годов был периодом наивысшего оптимизма в биотехнологии растений в мире, тогда это направление было также очень востребовано в стране. Так, в 1990 году наши культуры каллусов женьшеня были применены в промышленном производстве на Омутнинском химическом заводе. Суммарное годовое производство штаммов R-1 и 1с в цехе № 4 этого завода поверхностным способом достигло 1 т сухой биомассы. На этом же заводе суспензионные варианты штаммов R-1 женьшеня, А2 кирказона и ВК-39 воробейника впервые в стране были адаптированы к мощным 4000 л биореакторам. Только недавно эти показатели были преодолены в КНР, где разработали технологии культивирования в биореакторах на 10 и 20 тысяч литров. На Павлодарском биохимическом заводе (Казахстан) в промышленных масштабах выращивалась поверхностным способом культура ВК-39. Объём производства был намного выше, чем в созданном в начале 2000-х ООО «Приморская биотехнологическая компания». В НПО «Вектор» успешно прошла промышленные испытания суспензионная культура клеток А2. Впервые в стране был использован барботажный метод глубинного культивирования клеток растений.

В конце 80-х годах в лаборатории также были заложены основы нового для биотехнологии растений направления – методы размножения in vitro для сохранения генотипов редких растений. Основная идея заключалась в том, чтобы с помощью биотехнологических приёмов размножить наиболее ценные и успешные генотипы редкого вида и использовать их в сельскохозяйственном производстве или в восстановлении природных популяций. Первой была разработана технология сохранения редких генотипов женьшеня. Позже были разработаны методы микроклонального размножения для некоторых других ценных растений. Кстати, в настоящее время эти методы получили новое развитие в связи с программами лесовосстановления, а также с ростом спроса на здоровый посадочный материал сельскохозяйственных и декоративных растений.

В 90-е годы в лаборатории биотехнологии стали широко использовать новые методы биотехнологии и генетической инженерии растений. В 1994 году Виктор Булгаков, вернувшись в институт после стажировки в Пущинском научном центре, начал применять методы агробактериальной трансформации, клонирования генов, разные методы изучения экспрессии генов. Тогда коллектив лаборатории впервые начал заниматься генами, регулирующими биосинтез вторичных метаболитов. Первые публикации по этой теме отмечали, что биосинтез гинзенозидов в культурах клеток женьшеня с использованием нового подхода может быть увеличен до 6 %. Были получены активные продуценты антрахинонов, изофлавоноидов, нафтохинонов и других биологически активных веществ. С улучшением приборной базы появилась возможность освоить новые методы изучения экспрессии генов. В 1996 году в институте появился первый прибор для проведения полимеразной цепной реакции (амплификатор ДНК фирмы MJ Research) а чуть позже – секвенатор ДНК. Это подняло исследования на качественно новый уровень, заметно возросло число публикаций в престижных международных журналах. Расширились и связи с другими коллективами ДВО РАН, – помимо ТИБОХ ДВО РАН, давнего и «традиционного» партнёра лаборатории, были начаты совместные работы с Институтом биологии моря ДВО РАН, направленные на увеличение пролиферативной активности клеток морских беспозвоночных.

Период бурного роста биотехнологических исследований мог бы закончиться в 1992 году, с началом спада в экономике страны. Для многих научных направлений кризис этого времени оказался фатальным. Такой исход мог бы распространиться и на биотехнологию растений, если бы к этому времени в институте не была создана солидная научная и внедренческая база в области биотехнологии растений. Наличие квалифицированных кадров и серьёзный научный задел  позволили пережить период последующих потрясений нашей науки.

Однако в начале этого периода происходила борьба за выживание. Финансирования почти не было, научного оборудования не было,  число работников сильно уменьшилось, – люди уходили из науки. Первые годы использовали реактивы, накопленные в предыдущий период. Очень помогло тогда то, что ТИБОХ ДВО РАН не остановил работу своей «тяжёлой» техники – ЯМР- и масс-спектрометров.

С начала 2000-х годов началось сначала медленное, а затем всё более быстрое и успешное возрождение и дальнейшее развитие биотехнологии и молекулярной генетики растений. В конце 90-х в среде университетской молодёжи вновь обозначился интерес к науке. В это время в лабораторию пришли яркие и целеустремленные студенты, которые стали активно осваивать новые методики, вникать в тематику исследований, – Юра Шкрыль, Костя Киселев, Таня Горпенченко. В настоящее время все они кандидаты наук, у них уже свои студенты и аспиранты, они ведут отдельные направления исследований.

Юрий ШКРЫЛЬ

Константин КИСЕЛЁВ

Татьяна ГОРПЕНЧЕНКО

В настоящее время ядром исследований лаборатории является разработка научных основ и практические аспекты создания сырьевых (биотехнологических) источников биологически-активных веществ, а также исходных форм для повышения устойчивости и продуктивности сельскохозяйственных растений. Лаборатория поддерживает коллекцию клеточных культур, которая включает более 300 клеточных линий уникальных дальневосточных растений. Сегодня основатель лаборатории и инициатор биотехнологических исследований на Дальнем Востоке Юрий Николаевич Журавлёв уже давно академик, а Виктор Павлович Булгаков, внедривший в исследования лаборатории  биоинженерные подходы и положивший начало исследованиям механизмов регуляции биосинтеза вторичных метаболитов, – член-корреспондент РАН. За прошедшие годы подготовлены высококвалифицированные специалисты – более 20 кандидатов наук по специальности «биотехнология», работающие как на базе института, так и за рубежом. Коллектив лаборатории пополнился молодёжью, в лабораторию постоянно приходят студенты, которые после защиты дипломов поступают в аспирантуру, защищают кандидатские диссертации. Многие молодые учёные лаборатории уже имеют свои гранты.

Ю.Н. ЖУРАВЛЁВ с сотрудниками лаборатории биотехнологии, 2012 год
Работы института в области биотехнологии растительных клеток-продуцентов вторичных метаболитов проводятся на мировом уровне, по ряду исследований институт имеет мировой приоритет. Активно применяется перенос генов биосинтеза целевых веществ под контролем сильных промоторов из одних видов растений в другие растения, культуры клеток растений или в микроорганизмы с целью изучения свойств и функций перенесенных генов, а также исследования полученных рекомбинантных живых систем как возможных источников вторичных метаболитов.

Проблемно-ориентированные и прикладные исследования направлены на создание промышленных штаммов-продуцентов биологически активных соединений, достижение сверхсинтеза вторичных метаболитов, обладающих высоким рыночным потенциалом (создание так называемых клеточных фабрик). Работы ведутся на высоком уровне и нацелены на преодоление сырьевой и технологической зависимости от зарубежных поставщиков лекарственного растительного сырья и препаратов.

Ольга КОРЕНЬ, 
ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологии, 
учёный секретарь, 
кандидат биологических наук

Ольга Геннадьевна КОРЕНЬ

Комментариев нет:

Отправить комментарий