Вчені в галузі сільськогосподарських досліджень здебільшого знаходяться на другому плані, хоча вони зосереджуються на одній з найважливіших частин нашого життя - їжі. Саме їжа відповідає за наше здоров’я чи захворювання. Під час навчання в Празі я досліджував амарант на додаток до інших рослин. Це виняткова рослина, яка не має нічого спільного зі злаками, але її насіння можна переробити в борошно, яке набагато корисніше класичної пшениці. Ми вирощували різні сорти амаранту на дослідних полях і вдосконалили метод ідентифікації різних гібридів, який ми нарешті опублікували в Journal of Cereal Science. Зазвичай навіть уявити не можна, скільки науки потрібно для того, щоб новий сорт будь-якої культури потрапив у поле та з поля на нашу тарілку.
Ще раніше я не уявляв, що означає приносити зерно на поле, і сприймав як даність, що щодня снідав хлібом. Зрештою, думка про те, як виробляється або вирощується їжа, трохи нижче рівня сучасного розвиненого суспільства, яке залежить лише від смартфонів.
Від їжі залежить, чи маємо ми високий кров’яний тиск, ожиріння, діабет, рак, проблеми з травленням, алергію, висип чи, навпаки, красиву здорову шкіру. Ви, напевно, чули про це X разів, адже статті про здорове харчування неймовірні. Однак багато разів це дуже просто, просто замініть шкідливу їжу на більш здорову альтернативу. Достатньо було б замінити біле пшеничне борошно амарантом, і ми б відразу поснідали більш поживним.
Але здорова їжа повинна бути доступною для нас, але також вигідною для виробників та переробників. І ось тут у гру входить Науково-дослідний інститут рослинництва, Прага - Рузине (для Чехії), де різні сорти злакових та бобових культур з усього світу зберігаються та тестуються в банку генів. Окрім найновіших сортів пшениці або вівса, вони також мають згаданий амарант або все більш відому гречку або лободу, але іноді вони також пробують повну екзотику. Зрештою, в інших частинах світу вони не тільки залежать від пшениці, рису та кукурудзи, але їх традиційними злаками є, наприклад, Pennisetum americanum (дочан), Eleusine coracana, Sorghum bicolor (сорго), Coix lacryma-jobi, Eragrostis tef (tef), Echinochloa frumentacea, Digitaria exilis .
Багато з них дуже цікаві з поживного погляду, безумовно, корисніші за пшеницю, рис або картоплю. Однак необхідно з’ясувати, чи зберігають вони свої властивості навіть у центральноєвропейських умовах і особливо, чи здатні вони проростати в нашій країні навіть після останніх весняних заморозків, і чи здатні вони врешті-решт дати достатньо насіння. Вам може здатися, що найбільшою проблемою екзотичних злаків є відсутність тепла влітку, а потім і осінні заморозки, що знищить урожай. Так, може бути одна небезпека. Але рослинам не вистачає рівнодення, яке знаходиться в тропіках, а це означає, що день і ніч тривають однакові 12 годин протягом року. А екзотичній рослині потрібна саме потрібна тривалість дня, щоб цвісти. У нашій країні дні занадто довгі влітку, і лише восени їх довжина починає нагадувати тропічну. Тож рослина нарешті побачить його - воно почне цвісти, але, на жаль, одразу стане дуже холодно і мороз одразу знищить перші плоди. І це після збору врожаю. Тому метою селекціонерів є створення сортів, які можна вирощувати в регіоні довгими днями.
Інша річ, яку потрібно перевірити, це харчова цінність насіння цих незначних культур на наших кінцівках. Вміст білка, а отже і амінокислотний склад, залежать, серед інших факторів, від живлення рослин та кліматичних умов. У Центральній Європі існує інший тип ґрунту, ніж в Африці чи Південній Америці. Важливо також, як ми удобрюємо його, а також скільки дощу йде в даному році. Коли дощить занадто багато, азот може вимиватися з ґрунту, і рослині залишається мало, тому вміст білка знижується. Це дуже складно і може змінюватися навіть щороку на одному і тому ж полі. Тому перевірені сорти слід контролювати протягом декількох років.
Банк генів у Празі має надзвичайно багато різновидів, які вони отримують від генних банків з усього світу. Вони зберігаються у величезних морозильних камерах - краще сказати на морозильних складах. Коли на дослідному полі висівають новий сорт, ми фіксуємо, скільки днів йому потрібно прорости, скільки днів потрібно, щоб у нього з’явилися перші квіти і нарешті дозріли його плоди. Ми також підраховуємо, скільки у нього листя, який він був високий, який діаметр стебла. Фіксуємо колір і довжину листя і квітів (суцвіть). Коли насіння дозріває, описується їх колір і розмір, розраховується врожайність. Зважте 1000 насінин. Для цього вони мають спеціальний пристрій, який підраховує насіння (щось подібне до комп’ютерних банків монет).
Але це все морфологічні особливості. Один сорт насправді може бути дуже схожий на інший, але наступного року, наприклад, може йти сильніший дощ, і один із них зростатиме більше, і вони будуть трохи іншими. Тому знати їх необхідно генетично.
Оскільки геноми рослин, як правило, надзвичайно великі, про розбір послідовностей кожного нового сорту не може бути й мови, як це стосується бактерій. Є способи отримати певний «відбиток пальця» для кожного сорту будь-якої культури. Ми витягуємо ДНК наших сортів і піддаємо її RFLP, AFLP або RAPD методам. Я не хочу їх детально аналізувати тут, але справа в тому, що ми не піддаємо генетичному аналізу весь величезний геном рослини, а лише певні його частини. Кожен із цих методів використовує різний спосіб отримання цих частин. Наприклад, є нарізаючі ферменти, які можуть розщеплювати ДНК відразу після певної послідовності. Наприклад, фермент, який називається EcoRI, розрізає послідовність ДНК GAATTC точно після букви G, якщо за ним слідує AATTC. Зараз я придумую тут один приклад. Послідовність сорту Х:
Коли ДНК вирізається після першого та другого специфічних G-AATTC, ми отримуємо послідовність з 26 букв.
Якщо сорт Y має послідовність:
отже, після обробки тим самим ферментом ми отримуємо шматок, який буде мати 51 букву.
Таким чином ми виявляємо, що існує різниця між різновидами X та Y, навіть без необхідності їх послідовності.
Іншим підходом, який я трохи пояснив у попередньому блозі, є метод ПЛР. Певні праймери, тобто короткі ділянки ДНК (близько 10 букв), приєднані до ДНК рослини, яка в цьому випадку має такі загальні послідовності, тому ми можемо бути впевнені, що вони будуть прилипати до якоїсь частини геному, а ми не навіть потрібно знати точну послідовність. ПЛР базується на тому, що завдяки багаторазовим циклам підвищення та зниження температури помножується лише ділянка ДНК, яка знаходиться точно між парою праймерів. Тож знову ж таки, ми отримуємо інформацію лише про певні шматочки геному, але цього достатньо для того, щоб ми отримали зображення, схоже на відбиток пальця даної різновиди.
Який би метод ми не використовували, він все одно закінчується нанесенням ДНК на агарозний гель у так званому лотку для електрофорезу, де негативно заряджена ДНК переміщується з негативного на позитивний полюс дією електричного струму. У той же час коротші шматочки ДНК рухаються швидше. Якщо до ДНК додати спеціальний флуоресцентний барвник, то під УФ-світлом можна побачити, як все це вийшло. Ми побачимо, який сорт має довший чи коротший шматок, а який шматок відсутній. Ось один приклад, який я знайшов в Інтернеті.
Вчені завжди здогадуються, який із методів RFLP, AFLP або RAPD найкраще підходить для ідентифікації сортів. Майбутнє, безумовно, є секвенуванням цілих геномів рослин. Було б ідеально, якби ми могли зробити це так швидко і ефективно в майбутньому, як тепер ми можемо збирати геноми бактерій. Наприклад, такий геном пшениці має близько 17 000 000 000 букв, що в 5 разів більше, ніж у людини. Деякі поширені бактерії мають лише 4 мільйони літер.
Особисто мені не дуже подобається дивитися на генетичний склад рослин у вигляді шматочків ДНК, але я віддаю перевагу глобальному погляду. Оскільки неможливо отримати весь геном даного сорту, ми також можемо працювати з білками. Тут я лише нагадаю вам, що ДНК є схемою для виробництва РНК, а РНК - моделлю для виробництва амінокислот, з яких складаються білки. Звичайно, протягом життя рослини і в кожній частині рослини використовується інша частина ДНК. Але коли ми починаємо працювати з насінням, теоретично у нас генетичний матеріал зменшується до розміру насіння. Оскільки насіння можна описати як точку 0 у житті рослини, коли рослина насправді ще нічого не робить, і це можна застосувати до всіх досліджуваних сортів, ми можемо порівняти їх задовільно.
Це працює подібно до ДНК. Білки також можуть зсуватися в електричному полі і ділитися на розмір. Однак гель, в якому вони рухаються, зроблений не з агару, а з досить небезпечних хімічних речовин. Коли експеримент закінчиться, нам доведеться пофарбувати весь гель синім барвником, що займає кілька годин, а потім знебарвити. Нарешті, ми отримуємо смужки, які є нашими білками, розділеними за розміром, і ми можемо порівняти, який сорт має певну смугу, а який ні, і яка товщина. Іноді таких смужок багато, що погіршує ідентифікацію. Білки, отримані нами з цілих насіння, мають різні властивості. Одні розчиняються у воді, інші - у певному спиртовому розчині. Якщо ми розділимо їх за розчинністю, а потім застосуємо окремо на гелі, ми отримаємо меншу кількість смужок і, отже, кращий огляд відмінностей між сортами. На наступному малюнку зауважте самі, що в правій частині гелю видно, що деякі товсті смуги нижчі за інші.
Сучасна техніка прогресує так, що весь процес приготування небезпечного гелю (малюнок зліва) та його фарбування та знебарвлення, що займає близько 2-3 днів, можна зробити за півгодини на одному крихітному чіпі (малюнок у середній). Цей чіп схожий на крихітний електрофорез, і зразки наносять на нього через маленькі отвори. І ми отримуємо весь результат у цифровій формі (праворуч). Це дозволить нам знати розмір білка і навіть його концентрацію.
Я об’єднав ці два дані в математичний розрахунок подібності, і така ідентифікація амаранту була нарешті опублікована у згаданому Журналі зернових наук. Однак доступний лише анотація, але якщо ви хочете дізнатись більше про колекції амаранту в Празі, натисніть електронну книгу «Генетичне різноманіття рослин», де ми маємо одну главу.