Как наука о культуре растений преображает картофель

На поле недалеко от голландской деревни Ангерен биотехнологическая компания Solynta выращивает картофель на квадратных участках размером примерно 16 на 13 футов каждый. Однажды прошлым летом Хайн Крюйт, тогдашний генеральный директор компании, расхаживал по полю, указывая на покрытый листвой картофель. Растения выглядели крепкими, но ничем не примечательными. И всё же, по словам селекционеров картофеля, их генетическая структура — нечто необычное.

Картофель Solynta находится в авангарде селекционного проекта, запущенного почти два десятилетия назад и потрясшего мир исследований картофеля. Он является продуктом гибридной селекции – технологии, которая улучшила многие культуры за пределы самых смелых мечтаний селекционеров, – но не большинство картофеля, выращиваемого в коммерческих целях, из-за особенностей его биологии. В результате селекция картофеля идёт настолько медленно, что сегодня люди до сих пор едят многие из тех же сортов, что и их прадеды столетие назад.

Эксперты утверждают, что компании Solynta удалось решить эту проблему, что помогло заложить основу для революции в селекции картофеля.

Гибридная селекция позволит селекционерам создавать  новые сорта  быстрее и более систематично, считает Шелли Янски, бывший селекционер растений Министерства сельского хозяйства США и почётный профессор Висконсинского университета в Мадисоне. Новые сорта картофеля могут лучше переносить болезни, жару, засуху и воздействие соли. Урожайность может увеличиться. Эксклюзивные сорта могут обладать более интересными вкусами, формой и цветом. Кроме того, не требуется генная инженерия, что является огромным преимуществом, учитывая нормативные барьеры и общественное мнение, отметил Крюйт, который сейчас занимает пост финансового директора компании.

Крупные достижения в сельском хозяйстве обычно появляются в богатых странах и доходят до стран глобального Юга лишь спустя годы, если вообще доходят. Но картофельная революция, если она действительно состоится, может начаться в Африке. Компания Solynta начала продавать семена картофеля в 2023 году, но картофель, как и картофель других компаний, подхвативших эту тенденцию, пока неконкурентоспособен в западных странах; его урожайность всё ещё ниже примерно 39 500 фунтов с акра, которые западноевропейские и американские фермеры собирают в среднем ежегодно. Тем не менее, его урожайность уже значительно выше средней в высокогорных районах Восточной Африки, где сосредоточена большая часть африканских картофельных плантаций.

Кения может стать первой: в апреле Служба инспекции по охране здоровья растений Кении официально одобрила три первых гибридных сорта картофеля компании Solynta. А в конце июня Solynta объявила о соглашении с фармацевтическим и сельскохозяйственным гигантом Bayer о дистрибуции своих семян картофеля в этой стране и в  Индии .

Время для этого благоприятное. Производство картофеля в Африке удвоилось за последние два десятилетия, и политики всё больше склоняются к мысли, что эти питательные клубни могут сыграть важную роль в обеспечении продовольствием растущего населения континента, заявила Элли Атьено из Международного центра картофеля в Найроби, Кения. «В Кении, по-моему, это уже вторая культура, и правительство уделяет ей большое внимание», — сказала Атьено. «Я вижу ту же тенденцию в таких странах, как Руанда, Уганда и Танзания».

«Я слежу за этой технологией уже 15 лет. Как эксперт по картофелю, я всегда был к ней заинтересован. И теперь, думаю, пришло время, когда она может начать оказывать влияние», — сказал Питер Гилдемахер, тропический агроном, соучредитель и руководитель фонда Sepia, который надеется помочь внедрить гибридный картофель в странах Африки к югу от Сахары. (Фонд получил финансирование от Solynta, но действует независимо от компании.) «Думаю, было бы здорово, если бы Африка, наконец, стала лидером».

Трудно переоценить важность гибридной селекции, которая применялась ко многим сельскохозяйственным культурам на протяжении последнего столетия. Основная идея проста. Путем самоопыления селекционеры создают инбридинговые линии растений, содержащие одинаковую версию гена в обеих хромосомах. Инбридинг, как правило, приводит к появлению слабых, тусклых растений, но при скрещивании двух инбридинговых родительских линий потомство часто оказывается здоровым и энергичным.

Ключевое преимущество гибридной селекции заключается в простоте внедрения новых признаков. Например, если селекционеры находят дикий вариант кукурузы, устойчивый к вредителю, они могут скрестить его с одной из своих инбредных линий, а затем, используя метод возвратного скрещивания, исключить практически все гены дикого растения, за исключением тех, которые отвечают за устойчивость. Этот процесс, занимающий несколько поколений, позволяет селекционерам добавлять желаемые признаки один за другим.

Ещё одним преимуществом гибридной селекции является однородность. Все семена, полученные в результате скрещивания двух родственных линий, имеют абсолютно одинаковый генетический состав, что обеспечивает высокую степень предсказуемости, которую ценят фермеры.

Однако для создания инбридинговых линий селекционеры обычно самоопыляют растения снова и снова. С картофелем это давно невозможно, поскольку у него есть естественная система защиты от инбридинга. Ситуация ещё больше усложняется тем, что большинство коммерческих сортов картофеля тетраплоидные, а не диплоидные, то есть в каждой клетке у них четыре набора хромосом вместо двух. По словам Янски, это делает селекцию похожей на «бросание кубиков, чтобы посмотреть, каким будет потомство», что не очень эффективно для выведения новых сортов.

Около двух десятилетий назад голландский генетик растений Пим Линдхаут решил взяться за эту проблему. Линдхаут проработал в Университете и исследовательском центре Вагенингена почти два десятилетия, специализируясь на селекции томатов, а в 2006 году присоединился к компании De Ruiter Seeds, крупному производителю семян овощных культур, генеральный директор которой хотел заняться разведением картофеля. Линдхаут принял вызов, но «ребята, я сказал им, что эти исследования примитивны», – говорит он тогда коллегам. – «Должен быть другой путь». Но другие пытались улучшить селекцию картофеля, но тщетно, в течение столетия, вспоминает он. «Люди всегда смотрят на меня с жалостью. „Пим, ты рассуждаешь как помидор“, – говорят они. – Картофель другой. Тебе нужно думать как картофель“».

По словам Линдхаута , американский семеноводческий гигант Monsanto купил De Ruiter в 2008 году  , но не был особо заинтересован в исследованиях картофеля. По его словам, особое положение в сделке по приобретению позволило ему и трём его коллегам заняться исследованиями картофеля, которыми они занимались в свободное время.

Они знали, что ставки высоки. Гибридная селекция позволит им объединить лучшие характеристики существующих сортов. Или же они могли бы внедрить желаемые признаки, основанные на поразительном биоразнообразии картофеля, выращиваемого местными фермерами в Южной Америке, — например, для создания сортов, более устойчивых к изменению климата или ко многим грибковым, бактериальным и вирусным заболеваниям, поражающим картофель.

Ещё одно преимущество: гибридный картофель можно выращивать непосредственно из семян, а не из дорогостоящих клубней размером с яйцо, называемых семенным картофелем, которые сейчас требуются для посадки картофеля каждый сезон. Семенной картофель громоздкий, его доставка дорогая, и он скоропортящийся; «настоящие семена картофеля», как их называют селекционеры, крошечные, почти ничего не весят и хранятся годами. Они значительно упрощают внедрение любого нового сорта в любой точке мира.

В 2010 году Линдхаут покинул Monsanto вместе с Крюйтом и двумя другими коллегами, чтобы работать на полную ставку в компании Solynta, которую они основали в 2007 году. В  статье 2011 года  в журнале Potato Research они  объявили о создании своих первых стабильных инбредных линий картофеля. Команда Солинты создала их с помощью гена Sli,  открытого  в 1998 году, который позволяет дикому виду картофеля самоопыляться. Введение этого гена в другие сорта позволяет им также скрещивать сорта. И, поскольку Линдхаут и его команда начинали с диплоидных растений, им не приходилось сталкиваться с беспорядком тетраплоидных сортов. Хотя первые инбредные линии давали хилые клубни, гибридная селекция открыла новый мир.

Работа Солинты вызвала большой ажиотаж в традиционно консервативном мире селекции картофеля. Голландская компания HZPC, занимающаяся селекцией картофеля традиционным способом более века, ускорила свою программу по гибридному картофелю, запущенную в 2010 году. Компания JR Simplot, гигант в США по производству картофеля и замороженного картофеля фри, объединилась с немецким производителем семян KWS для разработки гибридного картофеля, специально предназначенного для производства картофельных чипсов и картофеля фри. Их совместное предприятие Aardevo также базируется в Нидерландах. Американские учёные, финансируемые Министерством сельского хозяйства США, запустили проект «Картофель 2.0». А Саньвэнь Хуан, один из бывших аспирантов Линдхаута, занимается разработкой гибридного картофеля в институте Китайской академии сельскохозяйственных наук в Шэньчжэне.

Взрыв интереса привёл к классической борьбе за интеллектуальную собственность. Компания Solynta получила патенты на создание гибридного диплоидного картофеля в Европейском союзе, США и ряде других стран и открыта для заключения сделок по лицензированию этой технологии, сказал Крюйт. «Не представляю, как можно было бы создать гибридный картофель, не используя мои патенты», — сказал он.

Однако лондонская юридическая фирма оспорила европейский патент (неясно, от чьего имени это происходит), утверждая, среди прочего, что метод Solynta не является по-настоящему новым и не содержит «изобретательского шага». Solynta считает, что Aardevo нарушает её патент. В июле 2023 года власти посетили офис Aardevo для проведения необычной выемки вещественных доказательств по запросу Solynta. Aardevo отказалась отвечать на вопросы по этому делу, но в заявлении на её веб-сайте говорится, что работа компании «не нарушает действующий патент», а иск Solynta назван «необоснованным».

Независимо от того, как будут разрешены эти конфликты, семена картофеля Solynta, вероятно, получат широкое распространение не менее четырёх лет, сказал Крёйт, поскольку урожайность должна ещё больше повыситься. Бывший управляющий директор Aardevo Пол ван ден Вейнгаард заявил, что продукция компании будет готова не раньше 2030 года. «В конечном итоге, через 15–20 лет, я думаю, вся тетраплоидная система будет заменена», — сказал Хуан.

Тем временем Solynta и HZPC обратили внимание на Восточную Африку, где средняя урожайность картофеля составляет всего 9000 фунтов с акра, что составляет одну пятую от урожайности в США. Отчасти это связано с тем, что африканские фермеры обычно оставляют часть урожая для посадки в следующем сезоне, что приводит к накоплению грибковых, бактериальных и вирусных заболеваний на протяжении поколений, снижая урожайность. (Хотя в странах Африки к югу от Сахары существует несколько компаний по производству семенного картофеля, в этом регионе отсутствует обширный, строго регулируемый сектор семенного картофеля, развитый в богатых странах, отчасти из-за высокой стоимости и сложности транспортировки клубней.)

Настоящие семена — гораздо более чистый исходный материал, поскольку через них распространяется очень мало болезней. Сорта Solynta, устойчивые к фитофторозу — грибку, вызвавшему Великий картофельный голод в Ирландии, — способны «сразу» удвоить урожайность, утверждает Крюйт.

Вачира Кагуонго, исполнительный директор Национального совета по картофелю Кении, прогнозирует, что фермеры с энтузиазмом воспримут гибридный картофель. Эта технология «очень удобна и выгодна для фермеров», — сказал он, — «поскольку она призвана решить все проблемы, в значительной степени связанные с хранением, транспортировкой и снижением заболеваемости».

Кагуонго сравнил появление гибридного картофеля с появлением мобильных телефонов, которые произвели фурор в Африке, отчасти из-за недостатка наземных линий связи. «Это произошло очень быстро, потому что телекоммуникации были несовершенны», — сказал он. Поскольку система выращивания семенного картофеля отсутствует, «то же самое может произойти и здесь».

Однако, по словам Кагуонго, пока неясно, как именно гибридный картофель попадет на африканские поля. Фермеры могли бы покупать и сеять свои собственные семена и выращивать их до взрослых растений, сказал он, как это сейчас делают большинство фермеров, выращивающих овощи. Но во многих местах на Земле сезон слишком короток, чтобы вырастить взрослое растение из семян. Кроме того, начало работы с настоящими семенами требует самоотверженности и заботы, которые фермеры, выращивающие картофель, не всегда привыкли вкладывать. Клубни, которые содержат свои собственные питательные вещества и воду, гораздо легче выращивать. Вот почему некоторые эксперты считают, что специализированные фермеры могли бы производить семенной картофель или даже рассаду из семян и продавать ее фермерам поблизости, которые все равно получат преимущество в виде незараженного болезнями исходного материала и доступ к селекционным инновациям.

Кагуонго сказал, что придётся опробовать несколько моделей. Гильдемахер заявил, что, по его мнению, лучший выход — это развитие специализированного бизнеса по выращиванию семенного картофеля из семян. Фонд Sepia, соучредителем которого он является, надеется сотрудничать с местными организациями, чтобы способствовать этому переходу по всей Африке.

Но Гилдемахер говорит, что столкнулся с трудностями при привлечении финансирования. Доноры больше внимания уделяют маниоке и другим культурам, считающимся типично африканскими, сказал он, хотя спрос на картофель в Африке растёт. (Крюйт говорит, что Solynta пыталась заинтересовать Фонд Билла и Мелинды Гейтс, который делает большую ставку на развитие сельского хозяйства в Африке, но ему сказали, что картофель не является приоритетной культурой.) Вероятно, дело усугубляется тем, что технология всё ещё новая и пока не может похвастаться значительными результатами, сказал Гилдемахер.

Атьено, учёный Международного центра картофеля, выразил надежду на участие государственного сектора региона, отчасти для укрепления доверия. Учитывая шумиху вокруг генетически модифицированных организмов, представление о гибридном картофеле «можно легко сбить с толку и полностью исказить», сказал Атьено.

«Большинство фермеров больше доверяют тому, что продвигает национальная исследовательская организация, чем тому, что продвигает, скажем, иностранная компания», — добавил он.

Гильдемахер надеется, что экономические прогнозы могут повлиять на инвесторов. Если фермеры из стран Африки к югу от Сахары смогут хотя бы наполовину сократить разрыв в урожайности с Северной Африкой, где фермеры уже получают около 25 000 фунтов с акра, это может принести им миллиарды долларов, сказал он.

И в будущем нас ждут ещё более потенциальные преимущества. Сейчас, поскольку картофель нуждается в прохладе, его выращивание сосредоточено на высокогорьях в странах Африки к югу от Сахары. Если гибридная селекция сможет создать жароустойчивые растения, эта площадь может увеличиться. По словам Янски, она убеждена, что дикие сорта картофеля несут в себе гены, обеспечивающие такую ​​возможность.

«Это одно из самых больших преимуществ гибридного картофеля: за короткий период времени можно приобрести желаемые или необходимые характеристики», — сказал Кагуонго. «В этом и заключается его прелесть».

Фото: Гибридный картофель, созданный биотехнологической компанией Solynta, выращенный и недавно собранный в Кении. Источник: © Solynta

Martin Enserink "How crop science is transforming the humble potato"

Перевод статьи «How crop science is transforming the humble potato» автора Martin Enserink, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык