Лес – огромный живой организм, имеющий свои особенности и закономерности. Лесная геномика – наука, которая позволяет понять, как он изменяется, адаптируется к новым условиям, эволюционирует, по каким законам живет, как его надо защищать и как правильно пользоваться лесными богатствами, чтобы их не потерять. Лаборатория лесной геномики, созданная на базе Сибирского федерального университета в рамках программы мегагрантов - единственная в России изучает лесную геномику. О работе Лаборатории рассказывает ее руководитель -Константин Валерьевич Крутовский, ведущий научный сотрудник Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, руководитель научно-образовательного центра геномных исследований, профессор кафедры биоинформатики и геномики Сибирского федерального университета и профессор Гёттингенского университета.
– Константин Валерьевич, что такое лесная геномика, для чего она нужна и каким задачам отвечает?
– Лесная геномика изучает геномы лесных древесных растений и организмов, с которыми они тесно взаимодействует, таких, например, как грибы. Лесные деревья и грибы – это очень важные организмы. Бореальные, или северные, леса России – это более 70% всех мировых бореальных лесов. А в целом по всем лесам России – это 25% от мировых. То есть, это громадное биоразнообразие, это ключевые виды, очень важные для поддержания экосистем, для оборота углерода и, в частности, для смягчения климата.
Кроме того, это уникальные биологические объекты, на мой взгляд, самые интересные, поскольку все биологические рекорды принадлежат именно деревьям. В том числе, по продолжительности жизни. Например, сосна остистая в горах Сьерра-Невады живет до пяти тысяч лет, секвойя – до двух тысяч лет. По продолжительности жизни, по биомассе, по высоте это рекордсмены. Секвойя может достигать более 100 м в высоту, а секвойядендрон может весить до двух тысяч тонн. Это эволюционно уникальные виды, очень важные для экологии.
– Лесные территории в нашей стране, как известно, занимают огромные площади. Расскажите, пожалуйста, о лаборатории, которую вы основали в Красноярском крае. Каким образом это произошло, чем занимается ваша лаборатория?
– Сотрудничество с Красноярским краем, в частности с Институтом леса СО РАН в Красноярске, началось еще с 1980-ых годов. Но мегагрант позволил усилить такое сотрудничество, создать большой проект по изучению геномов ключевых древесных видов Сибири – это хвойные, в частности, лиственница, ель, сибирская сосна или кедр. И в 2014 году, благодаря мегагранту, который мы выиграли вместе с Сибирским федеральным университетом в конкурсе, удалось создать эту лабораторию, экипировать ее современным оборудованием, секвенаторами, поскольку это довольно дорогостоящее дело.
Кстати, еще один из рекордов древесных, в частности, хвойных – у них гигантские размеры геномов. Если размер генома человека – это около трех миллиардов нуклеотидных оснований, то, допустим, размер генома сибирского кедра в 10 раз больше – около 30-ти миллиардов. Это колоссальная задача, но очень важная для развития новых технологий, для понимания эволюции этих видов, для их сохранения. Мы знаем, насколько знание генома человека позволило продвинуть медицину и популяционную генетику. Настолько же важно сейчас изучение геномики деревьев. Нам удалось отсеквенировать полностью и проаннотировать геном лиственницы, почти закончена работа по кедру. Кроме того, мы изучаем геномы различных фитопатогенных организмов, грибов.
– Что нам дает, кроме фундаментальных знаний, информация о геноме всех этих растений?
– Практических приложений очень много. Мы можем уже сейчас с помощью методов генной инженерии сознательно менять, конструировать новые породы деревьев с нужными качествами. Древесина – очень важный источник альтернативной и возобновляемой энергии, биотоплива. С использованием геномного редактирования мы можем создавать новые породы с селекционно улучшенными признаками, то есть более быстро растущие, с более высоким качеством древесины, более устойчивыми к заболеваниям. Для это нужны знания генома, о том, как он устроен, как функционирует, какие гены отвечают за важные селекционные и адаптивные признаки. В связи с глобальным изменением климата, который очень сильно влияет, в том числе и на леса, возникает важный вопрос – насколько леса способны приспособиться и адаптироваться к новым условиям, чем нам грозит это глобальное потепление, как помочь этим лесам адаптироваться. Это важно для сохранения не только самих видов, но и целых экосистем.
– Вы сказали о деревьях-долгожителях. Можно ли каким-то образом использовать эту генетическую информацию для того, чтобы подобную проблему решать у человека?
– У меня есть совместный проект с моими коллегами, которые изучают геронтогеномику, или проблему долголетия человека. Мы пытаемся понять – а что могут растения, что мы можем взять, допустим, для биомедицины из растений? В чем секрет такого долголетия, как, например, пять тысяч лет? А некоторые эвкалипты, как было открыто относительно недавно, живут даже до десяти тысяч лет. В чем секрет такого долголетия? Понимание этих механизмов, которые являются фундаментальными для самых разных организмов, мы пытаемся понять.
– Я слышала, что некоторые из таких деревьев-долгожителей погибают, обрушиваясь под тяжестью собственного веса, их поражают паразиты, а каких-то внутренних болезней у них просто нет, и они могли бы еще жить, если бы не эти обстоятельства. Выходит, они бессмертны?
– Это действительно уникальное явление. Чем деревья отличаются от кустарников и травянистых? Они растут всю жизнь. Им характерно апикальное доминирование, то есть постоянный рост на протяжении всей жизни. Фактически они, как правило, погибают либо от болезней, либо от стихийных бедствий, таких как ураганные ветра или пожары, которые играют большую роль в восстановлении лесов. Если убрать эти факторы, то они, действительно, способны жить вечно. Конечно, рост замедляется, но он не прекращается. В этом уникальность древесных.
– Константин Валерьевич, вы сказали о том, что пожары играют большую роль в восстановлении лесов. Так все-таки пожары – это благо для лесов или зло, с которым надо бороться?
– Это зло там, где есть какая-то инфраструктура, живут люди. И, конечно, нужно с ними бороться, предотвращать. Но в целом это часть естественного процесса. Они освобождают территорию для подроста, для омоложения леса, в результате происходит также некая стерилизация, то есть уничтожение фитопатогенов, накопленных мёртвой древесиной. Допустим, в Соединенных Штатах, где долгое время боролись с пожарами, это привело к захламлению лесов, накоплению мертвой древесины, что привело к тому, что пожары стали более катастрофическими, и они действительно могут наносить большой урон экосистеме. Поэтому нужно очень разумно подходить к этому вопросу.
– Много было публикаций о том, что растения каким-то образом «чувствуют», передают друг другу информацию, что материнское растение может погибнуть, если уничтожить его побеги и так далее. Выходит, это некий мир, цивилизация, о которой мы не подозреваем. Так ли это?
– Вы сформулировали очень литературно, хотя, конечно, у меня бывают такие ощущения, когда я бываю в лесу. Часто кажется, что это некий организм, который на тебя воздействует, и ты на него как-то воздействуешь, вы между собой взаимодействуете. Но если переводить это на научный язык, то есть, конечно, взаимодействие между растениями, в том числе между древесными, через корневую систему, в том числе, когда с помощью симбиотических грибов происходит обмен молекулами, влияющими на регуляцию генов.
Например, такой гриб как опенок, очень распространенный в Сибири, образует очень большие колонии, соединённые мицелием на большой территории. Некоторые виды этих опят, например, в Орегоне, занимают территорию в сотни гектаров. Известен случай, когда один клон, фактически один организм занял 880 гектаров в заповеднике Малур в Орегоне, а его возраст оценивается в 2,4 тысячи лет. Поселяясь на корнях деревьев, грибы их соединяет, и через эти грибы некоторые молекулы могут передаваться, таким образом, передавая информацию. Если эти молекулы вовлечены в экспрессию генов, которые могут влять на изменчивость признаков и на физиологические реакции, то это и есть общение на молекулярном уровне.
Деревья могут выделять разнообразные вторичные матаболиты, аллелохимикаты, фитонциды, которые могут как подавлять развитие других растений, так и способствовать их развитию, могут привлекать, а могут отпугивать и даже убивать насекомых. Есть очень тесное взаимодействие между деревьями и насекомыми. Поэтому лес надо рассматривать как некий единый организм, где есть взаимодействия.
– А с животными, например, с белками, которые живут на деревьях?
– Здесь провести параллель сложнее, но с насекомыми научно показано, что, допустим, какие-то насекомые-вредители по химическим соединениям, которые дерево выделяет, определяют деревья, которые ослаблены, и начинают их атаковать. Дерево может неплохо сопротивляться насекомым, выделяя смолу, и эта смола заливает и личинки, и сами насекомые, и они не могут сильно повредить этому дереву. Но когда насекомых очень много и дерево ослаблено, допустим, засухой, оно не может выделять много смолы. И тогда насекомые массой на это дерево нападают, размножаются, и могут возникать эпифитотии, эпидемии. Тогда даже здоровые деревья не могут сопротивляться, и начинаются массовые поражения. Эти вопросы мы также активно изучаем.
– Вы сказали о том, что лес – это некий организм, живая система. Как человек должен вести себя в лесу и как ни в коем случае не должен?
– Природу надо беречь, не только лес. Она источник биоразнообразия, она формирует здоровую среду обитания. В конце концов, она важна нам эстетически. Надо уменьшать экономическую нагрузку на леса, создавая плантации, где мы можем выращивать определенные породы деревьев. Это переход на лесное хозяйство по типу сельского, когда можно выращивать различные сорта и породы деревьей для конкретных целей, используя современные агротехнологии, а естественные леса беречь больше, создавать заповедники. Ну, и, конечно, в самом лесу надо человеку вести себя культурно.
– Культурно – это как? Костры не разжигать там, где это запрещено, а там, где это разрешено, обязательно их гасить, не мусорить, убирать за собой то, что принесли?
– Всё верно. Мы знаем, какие помойки за собой способен оставлять человек. Но человек – тоже часть экосистемы, — и наше здоровье, состояние нашей цивилизации от этого зависит. Надо понимать, что мы тоже часть этого большого организма, называемого экосистемой.
– Как бы вы сформулировали, что такое лес для человека и для человечества?
– Лес для человека – ценный сосед по планете и большой друг. Мы должны сосуществовать, помогать друг другу, особенно сейчас в связи с изменением климата. Насколько лес успеет приспособиться, насколько у него достаточно адаптивной генетической изменчивости?
Есть такое направление в управлении лесом – assisted migration, то есть активная целенаправленная и научно-обоснованная деятельность в лесовосстановлении и поддержании лесов путём «переселения» деревьев в те регионы, которые для них будут благоприятны, может быть не сейчас, а через десять-двадцать лет. Я руковожу проектом по генетическому изучению акклиматизации и адаптации секвойи интродуцированной в Европу, где некоторые районы становятся благоприятномы для выращивания этого ценного быстрорастущего вида благодаря потеплению климата.
Есть еще одно замечательное хвойное – дугласия или лжетсуга, оно растет на западном тихоокеанском побережье США и Канады, это очень ценное, красивое дерево, из того же семейства, что ели и сосны, с хорошей древесиной, но оно теплолюбивое. Однако климат теплеет, и всё больше мест в Европе, где становится возможным выращивать эти деревья, или секвойю, которая быстро растет, имеет очень хорошее качество древесины, большую биомассу. Это тоже теплолюбивое древесное, но мы изучаем генетические механизмы устойчивости к низким температурам для отбора морозоустойчивых деревьев и создания сортов, которые лучше переносят холода. С учетом глобального потепления уже очень много районов, где они могут очень успешно использоваться в лесном хозяйстве. Такие программы есть по эвкалиптам в Индии, Китае и США, где используются генетически улучшенные и более морозоустойчивые породы этих деревьев.
Читать подробнее: Научная Россия
