Созданный коллективом российских ученых новый сорт осины растет на треть быстрее обычной. Если у простого дерева до возраста рубки должно пройти 25–30 лет, то у модифицированного — 15–20. Достигнуть такого результата помог внедренный в растение ген гриба Penicillium canescens. Рослесхоз оценил инновационную разработку и отметил, что исследования в генетике могут помочь получить деревья с новыми свойствами, которые будут востребованы в промышленности. В частности, быстрорастущая осина поможет добиться значительного снижения временных, а следовательно, и финансовых затрат на получение определенного объема древесины.
Сдерживающий фактор
В настоящее время в целлюлозно-бумажной и вискозной промышленности используют материалы, полученные из осины. Главный параметр деревьев, которые нужны для промышленности, — это их биомасса, которая критически связана со скоростью роста. Поэтому ученые во всем мире работают над ее увеличением.
Коллектив российских исследователей создал улучшенный сорт осины с более высокой скоростью роста по сравнению с обычными деревьями данного вида. Для этого свои силы объединили ученые из Института биоорганической химии (ИБХ) РАН, Сибирского федерального университета (СФУ) и Института химии Коми Научного центра УрО РАН.
Изначально для экспериментов отобрали осины с высокой скоростью роста, заложенной в их генотипе. Далее в лаборатории этот генотип модифицировали, встроив в геном осины ген sp-Xeg из из гриба Penicillium canescens — родственного известному грибу Penicillium chrysogenum, служащего источником пенициллина. Ген sp-Xeg влияет на рост биополимеров, входящих в состав древесины — ксилоглюканов.
Вообще древесина состоит из трех видов биополимеров — целлюлозы, ксилоглюканов и лигнинов. Если сравнивать древесину с железобетонным строением, то целлюлоза служит арматурой, а два других полимера — скрепляющим ее цементом. Целлюлоза представляет собой длинные нити, ксилоглюкан же — тонкие и короткие связки.
Пока ткань дерева молодая, ее клетки высоко эластичны — они легко растягиваются, то есть растут. Но со временем эластичность резко падает, и клетка перестает активно увеличиваться. Причем происходит это еще на первом году жизни растения — спустя месяц-два после формирования побега он начинает деревенеть. Это следствие активного накопления нитей ксилоглюкана. Они сшивают целлюлозу и буквально сковывают клетки.
— Мы предположили, что на скорость роста можно повлиять, отсрочив процесс сшивки целлюлозных нитей, — рассказал руководитель группы лесной биотехнологии ИБХ РАН Константин Шестибратов. — Это бы увеличило период, в течение которого клеточные стенки эластичны. Поэтому «дополнили» осину геном sp-Xeg, который нейтрализует ксилоглюканы, разрезая их ковалентные связи.
Исследования свойств модифицированной осины проводили в течение двух сезонов как в тепличных условиях, так и полунатуральных. В первом случае деревья росли при регулируемых температуре, освещении и влажности. Во втором — находились на открытом воздухе, однако в горшках и на контролируемой закрытой территории института.
Домашний лес
Результаты работы получились следующими. У большинства модифицированных осин скорость роста оказалась на 30% выше, чем у обычных деревьев. По словам Константина Шестибратова, тенденция к увеличению скорости роста сохранится на протяжении нескольких лет. Таким образом, если простая осина до возраста рубки должна расти 25–30 лет, то модифицированному дереву достаточно будет 15–20 лет.
Сейчас в России промышленное выращивание трансгенных растений, генетическая программа которых была изменена с помощью методов генной инженерии, запрещено. Разрешено делать это только в рамках научно-исследовательских работ.
— Вырубка леса, которая в России ведется в колоссальных масштабах, наносит огромный вред окружающей среде, — подчеркнул pyководитeль Научно-образовательного центра геномных исследований СФУ, профессор Гёттингенского университета (Германия) Константин Крутовский. — Переход на лесное плантационное хозяйство, аналогичное сельскому, где выращивают сорта и культуры с нужными свойствами, позволит увеличить производство сырья, не нанося вред природным популяциям. Стоит отметить, что в России много земель, которые не используются для сельского хозяйства, однако они вполне пригодны для лесных плантаций.
Эксперт пояснил, что с помощью генной инженерии можно изменять свойства деревьев так, чтобы их сырье лучше подходило для той или иной области — например, в бумажной промышленности ценится высокое содержание целлюлозы и низкое содержание лигнина. Это уменьшит количество отходов (которые бывают ядовитыми и опасными для окружающей среды) и затраты на обработку продукции. Кроме того, модифицированные деревья смогут успешнее противостоять болезням, хорошо расти в конкретных условиях, приспосабливаться к особенностям климата и почвы. С их помощью можно восстанавливать загрязненные почвы, на которых обычные растения не выживают.
Причем широкое рассеивание в природе модифицированных сортов вполне можно исключить — например, проводя рубку до достижения деревьями половозрелого возраста, когда они начинают давать семена.
В пресс-службе Рослесхоза (Федеральное агентство лесного хозяйства) сообщили, что организация с интересом следит за инновационными разработками в области генетики биотехнологий, в том числе касающихся повышения устойчивости растений к неблагоприятным природным факторам, вредителям и болезням, а также улучшения качества древесины.
— Понимаем все сложности, с которыми сталкиваются ученые, и надеемся, что скоро такие разработки затронут не только осину, но и другие породы деревьев, — заявили «Известиям» в Рослесхозе. — Использование осины, несмотря на ее широкое распространение, в промышленности пока ограничено. Хотя возможно, генетикам удастся получить деревья с новыми техническими свойствами, которые будут востребованы промышленностью. Не надо при этом забывать, что современные методы генетики и биотехнологии позволяют решать многие проблемы сохранения биоразнообразия редких и исчезающих видов.
По словам проректора по науке и инновациям Воронежского государственного лесотехнического университета Светланы Морковиной, будущее принадлежит генетике и генной инженерии. Эксперт сообщила, что данная работа очень важна для создания лесов будущего.
— Лесные плантации, на которых сроки выращивания древесины значительно короче ввиду применения интенсивных технологий, помогут сохранить естественные леса, которых, к слову, в Европе практически не осталось, — добавила Светлана Морковина. — В России они еще есть, и это достояние страны, которое должно остаться нетронутым.
Ученые планируют продолжать работы и со временем использовать результаты исследований в лесном хозяйстве страны.