«Растения постоянно «разговаривают» с бактериями»: интервью с директором агробиотехнологического департамента РУДН

О том, как устроена эта система, какие культуры находятся в фокусе исследований и как учёные готовят растения к климатическим вызовам, мы поговорили с директором агробиотехнологического департамента, главным научным сотрудником и профессором АТИ РУДН Еленой Николаевной Пакиной.

В чём заключается главная миссия лаборатории агробиотехнологии и молекулярной генетики?

Наша основная миссия — соединить классическую агрономию с современными молекулярными технологиями, чтобы растения были не только продуктивными, но и устойчивыми к тем вызовам, с которыми сельское хозяйство сталкивается уже сегодня: засуха, патогены, деградация почв. Мы работаем на стыке генетики, микробиологии и биоинформатики — от выделения ДНК и поиска молекулярных маркеров до получения оздоровленного посадочного материала. И конечная цель всегда практическая: чтобы результат лаборатории можно было применить в поле, теплице или на производстве, а не только в статье.

Что выделяет вашу лабораторию среди других подобных научных центров России?

Пожалуй, сочетание полного цикла — от молекулярной диагностики до собственного растениеводческого производства — под одной крышей. Многие центры специализируются либо на «сухой» генетике, либо на «мокрой» агрономии. У нас эти направления теперь работают в связке: молекулярный маркер, найденный за лабораторным столом, тут же проверяется на растениях в новой теплице или в лаборатории искусственного климата и фенотипирования. Причём это уже не одна лаборатория, а целый научно-исследовательский комплекс. Образец теперь может пройти весь путь — от посева до генетического паспорта и оценки качества готовой продукции — не покидая пределов департамента. Плюс — международный состав коллектива и опыт работы с культурами из разных климатических зон, включая тропические.

Как наличие собственной научно-производственной базы помогает в решении актуальных задач сельского хозяйства, особенно в свете климатических изменений?

Климатические изменения — это не абстракция, а конкретные сдвиги: смещение сроков заморозков, более частые засушливые периоды, новые ареалы патогенов. Наша новая теплица — это современный научно-исследовательский комплекс, где студенты и учёные проводят эксперименты и отрабатывают агротехнологии будущего. Современные системы автоматического контроля микроклимата, фертигации и гидропоники позволяют точно дозировать воду, питание и свет — то есть моделировать и засуху, и избыток влаги, и дефицит конкретных элементов питания практически «по заказу». В сочетании с лабораторией искусственного климата и фенотипирования это даёт нам возможность прогнать коллекцию образцов через нужный стрессовый сценарий за один сезон и сразу увидеть, какие генотипы держатся лучше. Это резко ускоряет отбор устойчивых форм по сравнению с многолетними полевыми испытаниями.

В лаборатории ведётся поиск новых источников устойчивости к засухе. Какие культуры находятся в фокусе вашего внимания прямо сейчас?

Пшеница, картофель, соя и томат — наши основные модельные культуры, где засухоустойчивость проверяется на уже накопленных коллекциях образцов. Но интерес не ограничивается «классикой»: мы также смотрим на тритикале, ячмень и мискантус. Тритикале и ячмень интересны как зерновые культуры, у которых засухоустойчивость исторически недооценена по сравнению с пшеницей, хотя генетический потенциал там есть. Мискантус — вообще особый случай: это многолетняя культура с мощной корневой системой и высокой природной толерантностью к водному дефициту, и для нас это скорее источник генов и физиологических механизмов устойчивости, которые в перспективе перспективно поискать и в более «культурных» видах. По всем перечисленным культурам речь идёт о селекционном материале и образцах-кандидатах, которые проходят проверку, в том числе с использованием новой теплицы и лаборатории искусственного климата и фенотипирования. Именно такое сочетание «рабочих лошадок» и нетипичных культур и даёт наиболее интересные находки.

Расскажите подробнее про поиск микроорганизмов и химических сигналов. Как именно «общаются» растения и бактерии?

Растения постоянно «разговаривают» с микробным сообществом ризосферы химическим языком: корневые экссудаты — сахара, органические кислоты, флавоноиды — сигнализируют бактериям о своём физиологическом состоянии, а бактерии в ответ выделяют метаболиты, которые могут стимулировать рост корня, подавлять патогены или повышать доступность фосфора и азота. Мы ищем именно те штаммы и сигнальные молекулы, которые усиливают полезный эффект. Задача — не просто найти «хороший» микроорганизм, а понять сигнальную цепочку настолько, чтобы можно было усилить или воспроизвести нужный эффект целенаправленно, а не случайно.

Как исследования патогенов в ризосфере помогают предсказывать эпидемии растительных болезней?

Патогены редко действуют в одиночку — чаще это динамичные сообщества, где один вид может «прокладывать путь» другому или, наоборот, сдерживать его. Отслеживая, как меняется состав и соотношение таких консорциумов в течение сезона, можно увидеть ранние сигналы — например, рост доли определённой группы патогенов ещё до появления видимых симптомов на растении. Здесь нам очень помогает связка новой теплицы с лабораторией искусственного климата и фенотипирования: можно воспроизвести провокационный инфекционный фон в контролируемых условиях и отследить самые ранние, ещё незаметные глазу изменения физиологии растения. Это даёт окно для точечного вмешательства до того, как болезнь примет масштаб эпифитотии.

В разработках лаборатории фигурирует «естественный горизонтальный перенос генов». Как это работает на практике?

Горизонтальный перенос генов — это способность генетического материала перемещаться между организмами не через размножение, а напрямую, часто с участием бактерий-переносчиков или естественных векторов. В природе такие механизмы существуют и у растений, просто редко и медленно. Мы изучаем, можно ли направленно использовать эти естественные пути — например, через ризосферные бактерии — для передачи полезных признаков без классической трансформации. Это, скорее, дополнение к существующему инструментарию, а не замена: генная инженерия остаётся точным и контролируемым методом, а естественный перенос интересен там, где важно избежать статуса ГМО или работать с видами, плохо поддающимися генетической модификации.

Какая из ваших разработок уже внедрена в производство?

Наиболее продвинута технология оздоровления и микроразмножения посадочного материала — получение безвирусных растений методом апикальной меристемы с последующим доращиванием в условиях in vitro и адаптацией к почвенному субстрату. Этот цикл, включая производство миниклубней картофеля, отработан на нашей базе и проходил проверку в сотрудничестве с индустриальными партнёрами. Полномасштабное коммерческое масштабирование — процесс постепенный и обычно происходит через партнёрские хозяйства и семеноводческие предприятия, но именно наша технология лежит в основе получаемого ими оздоровленного материала.

Насколько сложен процесс адаптации «пробирочных» растений к реальным условиям грунта?

Это один из самых уязвимых этапов всей технологии: растение, выросшее в стерильных условиях со стопроцентной влажностью и готовым источником сахаров, физиологически не готово к почве — у него слабо развита кутикула, устьица не умеют закрываться, корневая система рассчитана на питательную среду, а не на почвенный субстрат. Без правильной ступенчатой акклиматизации потери на этом этапе могут быть очень высокими. Наибольшим прорывом я считаю отработанный у нас поэтапный протокол постепенного снижения влажности и адаптации субстрата, который заметно повышает приживаемость растений после переноса из пробирки — именно этот этап часто определяет, окупится технология или нет.

Как лаборатория интегрирована в учебный процесс?

Это не отдельное подразделение, а часть учебного процесса агробиотехнологического департамента, причём теперь этот процесс охватывает целую цепочку площадок. В теплице студенты своими руками выращивают культуры, осваивают работу с системами автоматического контроля микроклимата, фертигации и гидропоники и участвуют в селекционных экспериментах. Дальше образец «переезжает» в лабораторию маркерной селекции и геномики, где студенты осваивают выделение ДНК, подготовку библиотек для секвенирования и работу с молекулярными маркерами. В лаборатории биохимии и гистологии и лаборатории технологической оценки продукции растениеводства студенты учатся оценивать качество и биохимический состав готовой продукции. Это даёт студентам то, что сложно получить только по учебникам, — реальные лабораторные навыки на всех этапах пути «от семени до готового продукта».

Участвуют ли студенты бакалавриата в грантовых исследованиях лаборатории?

Да, и это осознанная политика: студентов стараются вовлекать в реальные исследовательские задачи как можно раньше, а не только на дипломном этапе. Они участвуют в пробоподготовке, генотипировании образцов коллекции, ведении лабораторных журналов и первичной обработке данных в рамках текущих грантовых проектов. Это не техническая «подработка» — многие результаты, полученные с их участием, входят в публикации и отчётность по грантам, а сами студенты нередко продолжают эту же тему уже на уровне магистерской или кандидатской диссертации.

Есть ли у лаборатории какое-то особенное, редкое оборудование?

Сейчас как раз удачный момент для этого вопроса, потому что парк оборудования у нас существенно вырос вместе с открытием новой теплицы и четырёх новых лабораторий. В теплице это современные автоматизированные системы контроля микроклимата, фертигации и гидропоники. В лаборатории искусственного климата и фенотипирования растений — камеры, позволяющие воспроизводить точные комбинации температуры, влажности и освещения. В лаборатории маркерной селекции и геномики растений — оборудование для секвенирования нового поколения, включая платформы для секвенирования единичных молекул, что для агробиотехнологической лаборатории университетского уровня — не самая типичная позиция. Плюс у нас остаётся оборудование для работы в культуре тканей растений. В комплексе всё это позволяет замкнуть цикл «от гена до готового продукта» в пределах одного департамента.

Какое открытие или результат, полученный в вашей лаборатории за последний год, вас удивил больше всего?

Меня всегда удивляет, когда данные ломают ожидаемую логичную картину — например, когда молекулярный маркер, который «должен был» сцепленно наследоваться с интересующим признаком по всем классическим представлениям, при проверке на расширенной выборке образцов показывает совсем другую картину. Такие результаты неприятны в моменте, но именно они чаще всего открывают что-то новое — либо более сложную генетическую архитектуру признака, чем предполагалось, либо влияние факторов, которые раньше не учитывались. Наука вообще редко удивляет подтверждением гипотезы — обычно удивляет её опровержение.

Какой совет вы дадите молодым учёным, которые только начинают свой путь в агробиотехнологии?

Не бойтесь совмещать «сухую» и «мокрую» науку. Многие молодые исследователи рано специализируются либо только на компьютерном анализе данных, либо только на работе руками в лаборатории и в поле, и со временем это становится потолком. Самые интересные результаты сегодня рождаются как раз на стыке — когда человек одинаково уверенно читает результаты секвенирования и понимает, что происходит с живым растением в теплице. И второе: учитесь спокойнее относиться к отрицательному результату — в агробиотехнологии, где циклы экспериментов растянуты на месяцы вегетации, умение сделать правильные выводы из неудачного эксперимента экономит вам годы.