От селекции до CRISPR-технологий

В рамках смены «Коды Курчатова» продолжился лекционный блок, посвящённый биотехнологиям растений, особенностям их роста и развития. В течение дня участники познакомились с современными направлениями растительной биотехнологии и разобрали, как различные факторы окружающей среды влияют на жизнедеятельность растений.

Первую лекцию провёл Александр Празян, научный сотрудник Курчатовского комплекса радиологии и агроэкологии НИЦ «Курчатовский институт». Тема занятия была посвящена биотехнологиям растений и основным методам, которые используются для получения растений с нужными свойствами.

Начали с традиционной селекции. На примере моркови и арбуза школьники увидели, насколько сильно привычные сельскохозяйственные культуры изменились за время целенаправленного отбора. Селекция позволяет выбирать растения с нужными характеристиками и использовать их для дальнейшего размножения.

Отдельно поговорили о мутационной селекции. В отличие от традиционного подхода, где мутации возникают естественным образом, при мутагенезе их частоту увеличивают с помощью определённых воздействий, в том числе ионизирующего излучения и химических веществ. Получившиеся изменения затем отбирают и используют в дальнейшей селекционной работе.

Для участников было важно понять, что ионизирующее излучение при таком подходе не создаёт заранее заданную «нужную» мутацию. Оно увеличивает вероятность возникновения мутаций, среди которых затем можно найти интересующие исследователей варианты.

Следующим направлением стала культура тканей растений. Участники узнали, как из небольших фрагментов растительной ткани в специально подобранной питательной среде можно получить клеточную массу, а затем стимулировать формирование новых органов растения. Такой подход позволяет, в частности, размножать растения, которые испытывают сложности с обычным способом размножения.

Затем лекция перешла к более современным направлениям: генной инженерии, CRISPR-технологиям и синтетической биологии. С их помощью исследователи могут изменять определённые свойства растений, например устойчивость к вредителям и болезням, пищевую ценность или пригодность для промышленного использования.

Участники также обсудили, где применяются биотехнологии растений. Среди основных направлений Александр Празян выделил сельское хозяйство, экологию, медицину и промышленность. В экологических задачах растения могут использоваться, например, для очистки загрязнённых территорий. В медицине растительное сырьё применяется для получения необходимых биологически активных веществ, а в промышленности растения могут быть источником сырья для биотоплива и биоматериалов.

Отдельно поговорили о будущем отрасли. Современные технологии редактирования генома позволяют точнее работать с генетическим материалом, а искусственный интеллект помогает анализировать большие объёмы научной информации и искать решения для задач селекции и биотехнологии.

После первой лекции участники продолжили программу с Ириной Горбатовой, научным сотрудником лаборатории биотехнологических и радиобиологических исследований. Тема её занятия «Факторы успеха: что нужно растениям для роста и развития» была посвящена условиям, от которых зависит жизнь растения.

Школьники разобрали несколько групп факторов. К абиотическим относятся свет, вода, почва, температура и радиация. Биотические факторы связаны с другими живыми организмами: животными, насекомыми, грибами, бактериями и соседними растениями. Отдельную группу составляют антропогенные факторы, связанные с деятельностью человека.

Особое внимание уделили основным условиям роста. Свет необходим для фотосинтеза, вода обеспечивает транспорт веществ и поддержание состояния клеток, температура влияет на скорость жизненных процессов, а почва обеспечивает растение минеральными веществами и служит основой для его роста.

На примере азота, фосфора, серы, калия и кальция участники разобрали роль минеральных элементов. Они необходимы для формирования белков и хлорофилла, энергетических процессов, развития корневой системы, поддержания водного баланса и прочности тканей растения.

Отдельный блок был посвящён радиации как одному из стрессовых факторов. Участники обсудили, чем отличаются высокие и низкие воздействия и как растения реагируют на стресс. Здесь же вспомнили о фитогормонах, которые регулируют рост, развитие и защитные реакции растений.

На примерах ауксинов, цитокининов, абсцизовой кислоты и других фитогормонов школьники увидели, насколько сложной является внутренняя регуляция растительного организма. Например, фитогормоны участвуют в росте побегов и корней, созревании плодов, старении листьев и реакции растения на недостаток воды.

Не обошли вниманием и взаимодействие растений с другими организмами. Участники узнали, как растения защищаются от травоядных, как могут получать сигналы об опасности от соседних растений и какую роль в их жизни играют микроорганизмы, паразиты и опылители.

В завершение лекции все изученные факторы объединили в одну систему. Чтобы получить хороший урожай, недостаточно создать какое-то одно идеальное условие. Свет, вода, температура, питание, гормональная регуляция и стрессовые воздействия работают в комплексе, и именно их взаимодействие определяет рост и развитие растения.

Так постепенно лекционный материал смены «Коды Курчатова» связывается с практической частью программы. Полученные знания участники смогут использовать во время собственных исследований, где им предстоит изучать влияние различных факторов на растения.