Создание растений с заданными характеристиками давно интересует селекционеров всего мира: при помощи современных методов мы имеем возможность получить более крупные, ароматные овощи и фрукты, цветения самых красивых и необычных оттенков, растения, устойчивые к изменениям погодных условий и неинтересные вредителям. Технологии для этого существуют совершенно различные, в приоритете экологически чистые и генетически безопасные. О направленной регуляции свойств растений и о том, какие возможности есть у молодых учёных, чтобы стать по-настоящему полезными обществу уже на начальном этапе научной карьеры, мы поговорили с Александрой Дубровиной, лауреатом премии президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых учёных за 2021 год.
- Александра, расскажите, пожалуйста, об исследовании, которое отметили премией президента.
Главное исследование, за которое дали премию, посвящено разработке новых подходов для регуляции и улучшения свойств растений, для повышения их устойчивости к различным заболеваниям, роста или синтеза каких-либо в них веществ. Мы обрабатываем поверхность растения специальными растворами, которые содержат молекулы двухцепочечной РНК (дцРНК). Эти молекулы способны проникать в ткани растения, в его клетки, и индуцировать такое природное явление как “РНК-интерференция”. В ходе этого процесса выключаются определенные гены растения, против которых нацелена эта двухцепочечная РНК.
Если в определенный момент мы выключим экспрессию генов, которые мешают проявлению у растения определенных свойств, то мы можем получить нужные характеристики. Допустим, если растения растут в условиях поля, а мы начнём их опрыскивать нашими растворами, то они приобретут свойства, которые мы хотим передать растениям. Так мы можем повысить их защитные свойства против патогенов, или повысить содержание определенных ценных веществ.
Мы не используем какие-либо вредные вещества: пестициды, гербициды, не получаем трансгенные растения, поэтому это имеет большой потенциал для дальнейшего развития и применения в сельском хозяйстве.
- Где берут эти РНК, их выделяют из самих растений?
Их можно синтезировать в пробирке с помощью специального подхода. Грубо говоря, фермент синтезируют из нуклеотидов в нужную молекулу РНК, в определенную последовательность нуклеотидов. В пробирке мы получаем раствор синтетической РНК, которую растворяем в воде и наносим на растение опрыскиванием либо намазываем на растение этот раствор кисточками.
Александра Дубровина с Арабидопсисом в Лаборатории биотехнологии ФНЦ ДВО РАН. Работу над регуляцией экспрессии генов Александра Дубровина с коллективом учёных лаборатории ФНЦ ДВО РАН начала в 2017 году, когда по этой теме было всего несколько работ. Фото Юлии Ткачук
- Получается этот раствор универсальный для разных растений? Или для каждого растения необходимо синтезировать определенный раствор?
Для каждого растения должен быть свой раствор, потому что эта РНК должна быть комплементарна определенному гену растения, так как у всех растений разные гены, они отличаются последовательностью нуклеотидов. Эта РНК должна быть нацелена именно на какой-то определенный ген или группу генов нужного растения.
Данные конфокальной микроскопии на примере Арабидопсиса, где верхняя панель: обработка растения водой, вторая: обработка растения с помощью прямой обработки растения синтетическими дцРНК, в данном случае EGFP дцРНК. Данные получены в Дальневосточном центре электронной микроскопии ННЦМБ ДВО РАН к.б.н. А.В. Калачевым. Источник иллюстрации: Kiselev, K.V.; Suprun, A.R.; Aleynova, O.A.; Ogneva, Z.V.; Kalachev, A.V.; Dubrovina, A.S. External dsRNA Downregulates Anthocyanin Biosynthesis-Related Genes and Affects Anthocyanin Accumulation in Arabidopsis thaliana. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 6749
- Как полученный раствор наносят на растение, помимо намазывания кисточкой? Пробовали ли вы вводить его в растения другими методами, например, поливали ли растения этим раствором?
Мы пробовали разные способы: опрыскивали растения из пульверизатора, вводили в стебель и листья растений раствор при помощи шприца с иглой, вводили раствор шприцем и без иглы, методом инфильтрации [прим.: метод инфильтрации, когда в растение просачивается раствор через трещины растения], втирали раствор пальцами, для этого мы брали капельку раствора на перчатку и втирали в лист растения. Самым эффективным способом оказалось опрыскивание с помощью пульверизатора и намазывание кисточками, потому что при этом растение не травмируется, мы просто наносим раствор на поверхность растения.
Александра Дубровина с коллективом Лаборатории биотехнологии ФНЦ ДВО РАН.
Фото Юлии Ткачук
- Что таким образом приобретает растение? У него повышается иммунитет, становится ли оно более устойчивым к каким-то заболеваниям?
Смотря против какого гена мы нацелим нашу РНК. Конкретно в нашей работе мы повышали синтез ценных веществ в растении - антоцианов. Это окрашенные пигменты пурпурно-красного цвета. Они имеют ценные свойства для медицины, применяются в косметологии, пищевой промышленности. С помощью этого подхода мы смогли повысить их содержание в растении. Теоретически так можно изменять и другие свойства растений. Пока мы работали только с антоцианами, но планируем расширить нашу работу, повысить устойчивость растения, например, к холодовому стрессу.
Фрукты и овощи, богатые антоцианами, водорастворимыми пигментами, легко распознать по их характерному яркому цвету: от красного до синего и фиолетового. Источник иллюстрации: s.yimg.com
- Как пришла идея работать в этом направлении?
Мы увидели новость в англоязычных научных новостях, что оказывается, если нанести молекулы РНК на лист растения, то эти молекулы РНК могут проникнуть внутрь. Нам стало интересно, какие процессы с помощью этого можно изменить. Оказалось, что они не просто проникают, а могут изменять результат работы гена у растения, снижается их активность и белка синтезируется меньше.
- Не будет ли этот подход считаться генной модификацией растения?
Трансгенные растения - это когда в ДНК вводят какой-то новый ген. Ведутся общественные дискуссии, насколько это безопасно? Насколько безопасны трансгенные растения? Это до конца не изучено. В нашем подходе мы не меняем структуру ДНК, мы не добавляем туда никакие гены, и вообще мы никоим образом не касаемся ДНК.
Ведь, как передается информация? С каждого гена в растении, его ДНК, синтезируется так называемая матричная РНК. Матричная РНК отвечает за синтез белка, за проявление гена, за его работу. С помощью нашего подхода мы блокируем эту матричную РНК. Она ничего не сделает, белок не сможет синтезироваться, но структура ДНК при этом не меняется.
- Многие боятся генно-модифицированных растений. Как вы считаете, стоит ли обходить стороной продукты, где есть пометка "ГМО"?
Всё зависит от того, какой ген был введен в растение и в какой участок генома. Каждый случай необходимо изучать индивидуально.
- Александра, в 2013 году вы получили другую престижную премию - L’Oréal-UNESCO Для Женщин в Науке. Повысилась ли ваша мотивация к тому, чтобы продолжать работу именно в этой сфере, стали ли вы более уверены в том, что ваши исследования значимы для общества, и на вашем примере, влияет ли признание на деятельность ученого?
Да, конечно. Общественная оценка работы очень важна. Это вдохновляет на дальнейшую работу. Это говорит о том, что ученый работает в правильном направлении, получает интересные результаты, которые могут быть полезны. Это придаёт вдохновение и силы на дальнейшую работу. Если посмотреть на то, сколько публикаций у лауреатов премии после получения премии, в большинстве случаев идёт рост количества публикаций. Это очень большая поддержка. Помимо моральной поддержки это и материальная поддержка - финансовые средства. Конечно, это очень важно.
Лауреаты премии L’Oréal-UNESCO Для Женщин в Науке за 2013 год. Первая справа: Александра Дубровина. Источник фото: forsmi.ru
- Премия президента для вас - самая высокая награда, после которой можно двигаться к научным достижениям более умеренными темпами, или для вас это стимул к ещё большим результатам?
Я стараюсь думать не о наградах, а о результатах работы. Меня вдохновляет возможность сделать научные открытия, нужные для общества, эффективно работать, развиваться в выбранном научном направлении. Премия - это приятное дополнение. Для меня главная мотивация в другом - не в премии, а в интересе к науке, возможной пользе открытий. Я считаю, что именно это должно быть двигателем. Тот, кто идёт к какой-то высшей цели, тот обязательно найдет и материальную поддержку.
- Какими напутствиями вы хотели бы поделиться с молодыми учеными, которые только выбирают свой путь, думают, идти ли в науку, оставаться ли там, какое направление исследований выбрать? Как достичь успеха в научной деятельности?
Главное работать не ради денег, не ради призов и наград, а ради каких-то высших целей: ради науки, ради какой-то пользы для общества. Успех складывается из многих факторов. Если человек думает о высшей цели, он найдет и хорошего научного руководителя, и хорошую лабораторию, и деньги на исследования. Я считаю так.
- Какими исследованиями вы сейчас занимаетесь? В какой области вы видите своё дальнейшее развитие?
Я планирую активно продолжать работу по тому направлению, за которое мне дали премию президента - разработка новых подходов для регуляции свойств растений с помощью обработки их поверхности растворами РНК. Хотелось бы попробовать не только регуляцию биосинтеза антоцианов, но воздействовать и на другие свойства растений, поработать с растениями, важными для сельского хозяйства. Мы начали работать с томатом, пока мы на начале пути, нам предстоит апробировать этот подход на томате и других важных растениях для сельского хозяйства, в том числе в полевых условиях. Необходимо выявить, насколько этот подход эффективен и безопасен, целесообразно ли его применять в сельском хозяйстве в реальных условиях. Это будет более практико-ориентированная работа. Хотя, помимо этого, мы планируем изучать механизм самого явления и получать новые фундаментальные знания.
Автор: @Nauchnaja Rossija
Заглавное фото: Елены Либрик / Научная Россия
