В мечтах можно зайти и еще дальше. Возжелать растения, в которых имелось бы все необходимое человеку. Растение со съедобными листьями, как у шпината, семенами с высоким, как у фасоли, содержанием белка, с высокопитательными, похожими на картофель, клубнями, со стеблем, дающим полезное волокно… Тогда не надо будет «метаться» от одного блюда, к другому — от одного растения организм с пищей сразу получит все, что ему необходимо.
А еще — раз уж все пожелания сбываются! — хорошо бы получить растения, которые можно есть сразу в сыром виде. Чтоб не надо было возиться на кухне с поваренной книгой, затем жарить, варить, разогревать, охлаждать…
А собственно, во всем том, о чем только что говорилось, и нет особых чудес. Растениеводы издавна занимаются выведением новых необычных сортов, но добивались они этого при помощи скрещивания и отбора, то есть путями естественными, главный недостаток которых слишком большие затраты времени.
Делом этим занималась и сама матушка-природа. Естественный отбор за тысячелетия добился немалого. Так, в частности, полагают, что вследствие генных мутаций живые существа, первоначально обитавшие в водной среде, в первоокеане, обрели способность дышать и выбрались на сушу. И существование человека является отголоском тех давних событий.
Как спрессовать миллионы лет в годы и даже месяцы? Как максимально сократить сроки? Способна ли справиться со всем этим селекция? Да, успехи ее велики: вклад селекции в достигнутое за последнюю четверть века удвоение урожайности составляет более 50 процентов. Однако даже такие цифры нас уже не удовлетворяют. Селекционное конструирование нового сорта — многотрудный научный марафон. Это дело, требующее чудовищного упорства. Десятки лет труда, успех чаще всего приходит только на склоне лет. А сколько селекционеров так и не дожили до времени, когда их усилия стали приносить плоды!
Трудности селекции, в чем они? Возьмем пшеницу. Ведь необходимо среди примерно 48 тысяч образцов этой культуры разыскать те несколько, которые и станут стартовой точкой для планируемого поиска. А сколько забот возникает при скрещивании. При десяти сводимых воедино признаков, каждый из них контролируется только одним геном, во втором поколении, когда отбор только начинается, надо проанализировать ровно 1 048 576 растений. Вот какие груды материала необходимо перерыть!
И кабы перечень требований к новому сорту укладывался бы в десятку! На деле, по классическому подсчету Вавилова, в число признаков, которым должен соответствовать новый сорт (конкретно мы говорим о пшенице), должны входить 46 пунктов. Перечислим некоторые: форма зерна; высокий вес тысячи семян; крупный, при созревании не осыпающийся колос; не прорастающее на корню и в снопах зерно; прочная неполегающая соломина; оптимальное соотношение массы зерна и соломины; иммунитет к вредителям, болезням; устойчивость к засухам; пригодность к механизированной уборке…
46 ступеней к идеалу! И это по меркам прошедших десятилетий, ныне же количество требований выросло еще больше.
Наши далекие предки руководствовались простыми критериями: съедобно растение — несъедобно, вкусно — нет. Это только много позднее, при еще полуосознанной селекции человек начал обращать внимание и на величину урожая, и на размеры используемых в пищу органов растений. Но затем земледелец открыл в растениях крахмал, белок, аминокислоты, жиры, витамины… Тут уж он осознал разницу между «количеством» и «качеством». Уразумел и факты неприятные: что у зерновых отчего-то чем выше урожайность, тем ниже в зерне содержание белка и незаменимых аминокислот. Что чем больше удается собрать сахарной свеклы с гектара, тем меньше в ней сахара и т. д. И для селекции важными оказались теперь уже не только валовые сборы с гектара, но и «урожаи» белка, сахара, витаминов и других веществ.
Требования к селекции быстро растут, а арсенал ее средств до недавних пор был довольно скромен: воздействие на растения атомной радиации, ультрафиолетовых лучей, некоторых химических веществ. Подобные меры могут изменить структуру молекул ДНК, внести «поправки», наподобие опечаток в результате недосмотра типографа. К сожалению, мутации плохо предсказуемы. Трудно предвидеть, какие гены будут поражены, в каком отношении они будут модифицированы. Тут остается уповать на удачу, на то, что удастся найти и отобрать нужных «уродов»: очень редкие, интересующие селекционера изменения.
Селекция имеет существенное ограничение. Ее приемы позволяют получать гибриды только родственных растений. Скрещивать картофель разных сортов можно, но никак нельзя получить, скажем, гибрид сливы и яблони.
Ветви древа жизни, пройдя долгий эволюционный путь, разошлись друг от друга очень далеко. Их развитие долго шло независимо. Потому-то разные виды не скрещиваются. И нельзя скрестить кошку с собакой. И хотя есть мул, помесь осла и лошади, он бесплоден, так же как и помесь льва с тигром.
Природа воздвигла между далекими видами непреодолимый барьер, который мешает селекционной работе. Фактически селекционеры тасуют одни и те же гены. У них в руках словно бы колода, в которой все карты одинаковы: в одной — только семерки бубей, в другой — лишь трефовые короли и т. п. Кое-какие различия, конечно, есть: одни карты пропечатаны чуть-чуть лучше, на других видны следы брака — опечатки, смещения рамок…
Получить гибрид капусты и редьки, например, селекционерам никак не удается. Сотворить такую помесь они смогли, но, к их глубочайшему разочарованию, она имела корни капусты, а ботву — редьки! И надолго стала мишенью для острот злопамятных юмористов. А вот генные инженеры почти с первой попытки, так сказать, с первого захода смогли сотворить гибрид свеклы со шпинатом и, если потребуется, смогут вырастить и груши на вербе.
Пересадка генов от неродственных видов — это наиболее престижная работа для молекулярных биологов. Так, у дуба нет ржавчинного гриба — возбудителя ржавчины, от которой так страдает пшеница. Почему бы не выделить нужный ген из дуба, не пересадить его пшенице и таким образом не остановить ржавчину?
Как все это делается? В чем секрет? Мы помним: успехи генной инженерии связаны с плазмидами, этими ДНК-колечками, способными «перекатываться» из одной бактерии в другую. К огорчению ученых, тех же экспериментальных удобств растения и другие высокоорганизованные клетки не предоставляют. Природа отделила прокариотов — бактерий, синезеленых водорослей и других наделенных плазмидами простейших — от эукариотов (растительные и животные организмы) непроницаемой стеной. Поэтому, казалось, плазмидные способы изменения наследственности тут не помогут.
Так считалось. И вдруг обнаружилось, что есть все-таки лазейка. Выяснилось: то, что молекулярные биологи безуспешно пытались сделать, уже миллионы лет проделывает обычная почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens. Она умеет вводить чужеродные гены в растения и заставляет их повиноваться своей воле — вынуждает синтезировать нужные ей белки. В результате такой генетической колонизации растительные клетки начинают безудержно размножаться, и образуется нарост, галл — растительная опухоль.
Исследователи выделили и виновницу этих превращений — плазмиду (ее назвали Ті-плазмидой, от английских слов «tumor-inducing», «вызывающая опухоль»). Было установлено, что после заражения растения определенная часть плазмидной ДНК способна встраиваться в хромосомную ДНК растительной клетки, становиться частью ее наследственного материала. Это генное вторжение заставляет растение синтезировать особые соединения — опины, которые служат бактерии пищей.
Итак, открывается уникальная возможность для включения в геном растений любого желательного гена, функционирование которого может придать растению нужные свойства. Ti-плазмиды, у них можно подавить гены, способствующие возникновению растительных опухолей, окрылили исследователей: в окружающей растительную клетку высоченной, кажущейся совершенно неодолимой ограде обнаружились «выломанные доски». Впрочем, это необходимо отметить, биологические бреши найдены не для всех растений. Только для класса двудольных. Для однодольных же — а к ним относятся важнейшие для сельского хозяйства зерновые, кукуруза, многие травы: они обладают природной устойчивостью к заражению агробактериями — проблема не решена. Здесь придется поискать другие обходные пути.