Генетическая структура пшеницы

 

 

Пшеница обладает невероятной способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды: в Иерихоне она растет на высоте 250 м ниже уровня моря, а в Гималаях – на высоте 3000 м выше уровня моря! Ее географическое распространение также поражает: пшеницу выращивают от Норвегии (65 градусов северной широты) до Аргентины (45 градусов южной широты). Пшеница занимает порядка 25 000 км2 сельскохозяйственных угодий по всей территории США – это площадь целого штата Огайо. Площадь посевов пшеницы во всем мире в десять раз превышает это число, в два раза превосходя по площади Западную Европу.

Дикая полба – дальний предок всех современных сортов пшеницы. Из всех видов этого ботанического семейства у нее самый простой генетический код, состоящий всего из четырнадцати хромосом. 3300 лет до н. э., в эпоху Тирольского Ледяного Человека, твердая полба, устойчивая к морозам, была весьма популярным злаком на территории всей Европы. В ходе обследования мумифицированных останков одного из охотников той эпохи (поздний неолит), найденных во льдах Итальянских Альп, а в частности – содержания его кишечника, были обнаружены частично переваренные остатки полбы, которая была употреблена в пищу в виде бездрожжевого лаваша, а также остатки растений, мяса оленя и дикого горного козла.

Вскоре после культивации первой полбы (пшеницы-однозернянки) на Ближнем Востоке появилась пшеница-двузернянка, Aegilops speltoides, или эммер – естественный потомок полбы. Она добавила свой генетический код к геному прародителя, в результате чего появилась более сложная пшеница с двадцатью хромосомами. У таких растений, как пшеница, есть способность сохранять суммарное количество генов своих предков. Представьте, что ваши родители вместо того, чтобы «перемешать» свои хромосомы, сложили их вместе, и вы в итоге стали носителем не сорока шести, а девяноста двух хромосом. Этот процесс получил название полиплоидности. Он нехарактерен для высокоразвитых существ.

Полба и ее эволюционный преемник пшеница-двузернянка оставались чрезвычайно востребованными на протяжении нескольких тысяч лет, заняв важное место в рационе питания человека, несмотря на свою относительно невысокую урожайность и менее подходящие для приготовления выпечки качества, если сравнивать с современной пшеницей. Скорее всего именно пшеница эммер и подразумевалась в роли библейской «манны небесной», и эта разновидность злака сохранила свою популярность вплоть до расцвета Римской империи.

Шумеры, которые, как считается, разработали первый письменный язык, оставили нам десятки тысяч клинописных табличек. Пиктограммы, нанесенные на несколько из них, датированных 3000 г. до н. э., содержат описания рецептов приготовления хлеба и другой выпечки. Известно, что зерна пшеницы эммер размалывали в муку с помощью пестика и ступки или ручных жерновов. Частенько, чтобы ускорить трудоемкий процесс молочения зерна, к злакам добавляли песок, из-за чего у любящих хлеб шумеров страдали зубы.

Пшеница эммер была очень любима в Древнем Египте, где цикл ее роста следовал за сезонным разливом Нила и его спадом. Считается, что египтяне научились «поднимать» хлеб за счет добавления в него дрожжей. Говорят, что, когда евреи вышли из Египта, в спешке они не взяли с собой дрожжевую смесь, вследствие чего им пришлось питаться пресным хлебом из пшеницы эммер.

За тысячелетия до появления Библии пшеница эммер с двадцатью восемью хромосомами (Triticum turgidum) была естественным образом скрещена с другим злаком, Triticum tauschii, в результате чего появилась Triticum aestivum с сорока двумя хромосомами – вид, генетически наиболее всего близкий к тому, что мы называем пшеницей в наши дни. Ее генетический код является наиболее сложным, так как содержит в себе геномы трех различных растений. Таким образом, она оказалась наиболее «гибкой» в генетическом плане.

Со временем пшеница Triticum aestivum с ее повышенной урожайностью, к тому же идеально подходящая для приготовления выпечки, затмила своих сородичей – полбу и пшеницу эммер. За множество последующих столетий Triticum aestivum мало видоизменилась. К середине XVIII века выдающийся шведский ботаник и каталогизатор биологических видов Карл Линней, создатель единой системы классификации растительного и животного мира, насчитал пять различных видов, относившихся к роду Triticum.

В Новый Свет пшеница была завезена Христофором Колумбом, впервые посадившим несколько зерен в Пуэрто-Рико в 1493 году. Испанские исследователи случайно завезли семена пшеницы в мешке с рисом в Мексику в 1530 году, после чего она попала в Юго-Восточную Америку. Впервые в Новую Англию пшеница была завезена открывателем полуострова Кейп-Код и острова Мартас-Виньярд Барталомеем Госнольдом в 1602 году. Вскоре после него пришли пилигримы, принесшие вместе с собой пшеницу на «Мейфлауэр» – английское судно, на котором пересекли Атлантический океан 102 пилигрима из Старого Света – первые поселенцы Новой Англии.

 

Настоящая пшеница

На что была похожа пшеница, которую выращивали наши предки тысячи лет назад и вручную собирали на полях? Этот, казалось бы, простой вопрос, привел меня на Ближний Восток – или, если быть точнее, на небольшую ферму, использующую исключительно органические удобрения в западном Массачусетсе.

Здесь я нашел Элишеву Рогоза. Эли не только преподает естественные науки, но еще и занимается фермерским хозяйством, пропагандируя ресурсосберегающее земледелие, а также является основателем Комитета по охране пшеничного наследия (www.growseed.org) – организации, деятельность которой посвящена сохранению древних сельскохозяйственных культур и их выращиванию с использованием экологически чистых методов. После десяти лет жизни на Ближнем Востоке и работы с израильтянами, иорданцами и палестинцами в совместном проекте по сохранению генофонда сельскохозяйственных растений, вместе с которыми они собрали практически исчезнувшие древние виды пшеницы, Эли вернулась в США вместе с зернами, которые произошли от первоначального вида пшеницы, которая росла на территории Древнего Египта и Ханаана (древнее название Палестины, Сирии и Финикии). С тех пор она посвящает свою жизнь культивированию древних злаков, которыми питались ее предки.

Мой первый контакт с госпожой Рогоза представлял собой переписку по электронной почте, ставшую результатом моего заказа 1 кг зерен полбы. Она не могла остановиться, рассказывая мне о своей уникальной пшеничной культуре, которая, как бы то ни было, являлась не просто очередным сортом древней пшеницы. Эли описывает вкус хлеба из полбы как «богатый, изысканный, с более насыщенным ароматом» по сравнению с хлебом, приготовленным из современной белой муки, который, по ее словам, по вкусу напоминает картон.

Эли приходит в бешенство от предположения о том, что продукты из пшеницы могут быть вредными, вместо этого она указывает на то, что стремление к увеличению урожайности и дохода, которым руководствовалось сельское хозяйство последние десятилетия, является основной причиной того, что пшеница стала вредить человеческому здоровью. Решение этой проблемы она видит в использовании пшеницы-однозернянки и двузернянки, в возвращении к историческим зерновым культурам, в их выращивании с соблюдением экологических норм, чтобы в итоге заменить этими злаками современную пшеницу.

 

Так все и происходило. Пшеница продолжала свое постепенное распространение по миру, подверженная только незначительной эволюционной селекции.

В современном мире на смену пшенице-однозернянке, двузернянке и культивированным сортам Triticum aestivum пришли тысячи современных разновидностей пшеницы Triticum aestivum, равно как и Triticum durum (макаронные изделия), и Triticum compactum (мука высшего качества, используемая для приготовления кексиков и других мучных изделий). Все эти виды были выведены искусственным образом. Чтобы в наше время найти полбу или пшеницу эммер, вам придется хорошенько поискать места, где она растет в диком виде, или пройтись по скромным сельскохозяйственным угодьям, разбросанным по Ближнему Востоку, Южной Франции и Северной Италии. Благодаря современным методам селекции существуют сотни, возможно, тысячи различных видов пшеницы рода Triticum, каждый из которых произошел из обычной древней полбы – растения, растущего в естественных условиях.

Современные сельскохозяйственные культуры рода Triticum стали результатом селекции, направленной на увеличение урожайности и улучшение других важных характеристик, таких как сопротивляемость болезням, засухе и жаре. На самом деле люди изменили пшеницу настолько, что она теперь просто не выжила бы в естественных условиях без применения удобрений и борьбы с насекомыми-вредителями.

Разницу между натуфийской пшеницей и тем, что мы называем пшеницей в XXI веке, можно заметить даже невооруженным взглядом. Древняя пшеница-однозернянка и двузернянка были так называемыми «пленчатыми» разновидностями этого злака, то есть зерна плотно прилегали к стеблю. Современная же пшеница является «обнаженной» разновидностью: зерна у нее отделяются от стебля более охотно, благодаря чему процедура обмолота (отделения съедобного зерна от несъедобной соломы) стала значительно проще и эффективнее. Это вызвано мутацией в генах Q и Tg. Однако есть и другие, более заметные различия. Современная пшеница намного короче своего прародителя. Вместо описываемых поэтами прошлого роскошных высоких колосьев, ритмично раскачивающихся на ветру, мы получили «карликовые» и «полукарликовые» сорта, высотой от силы 50 см – еще одно следствие экспериментов по селекции для увеличения урожайности.

 

Размер имеет значение

 

 

С тех пор как человек начал заниматься сельским хозяйством, он стремится все больше повысить урожайность. XX век подарил нам механическую сельскохозяйственную технику, которая пришла на смену тягловым животным и увеличила эффективность производства вместе с урожайностью при сниженном участии человека. В период новейшей истории мы пытались увеличить урожайность путем выведения новых сортов за счет скрещивания между собой различных разновидностей пшеницы и других злаков, а также создавая новые генетические виды в лаборатории.

Гибридизация осуществлялась и сейчас осуществляется различными способами, среди которых интрогрессия (приобретение генов другого вида при межвидовой гибридизации) и обратное скрещивание, при котором потомки скрещиваемых растений вновь пересекаются с их прародителями или другими видами пшеницы или даже других злаков. Подобные эксперименты, впервые описанные австрийским священником и ботаником Грегором Менделем в 1866 году, начали приносить свои плоды в середине XX века, когда люди на практике познакомились с понятиями гетерозиготности и доминирования генов. С тех пор ученые-генетики разработали различные способы достижения желаемых характеристик.

Большая часть современной пшеницы, полученной в результате целенаправленной селекции, относится к сортам, разработанным в Международном центре улучшения кукурузы и пшеницы (International Maize and Wheat Improvement Center; CIMMYT), расположенном к востоку от Мехико, у подножия гор Сьерра-Мадре. Этот центр появился в 1943 году и изначально являлся частью программы исследований в области сельского хозяйства, которыми мексиканское правительство занималось совместно с Фондом Рокфеллера (филантропическая организация, основана в 1913 по инициативе Дж. Д. Рокфеллера, самый крупный из фондов семейства Рокфеллер и второй по величине в США после Фонда Форда) с целью добиться самодостаточности Мексики по сельскохозяйственным продуктам. В итоге эксперименты переросли во впечатляющую попытку увеличить урожайность кукурузы, сои и пшеницы по всему миру, чтобы избавить население Земли от голода. Мехико стал центром мировой гибридизации сельскохозяйственных культур, так как из-за теплого климата здесь можно было собирать два урожая в год. К 1980 году общими усилиями были выведены тысячи новых сортов пшеницы, самые урожайные из которых быстро распространились по всему миру, начиная от стран «третьего мира» и заканчивая современными промышленно развитыми странами, в том числе и США.

Одной из практических проблем, решенных Международным центром улучшения кукурузы и пшеницы в попытке увеличить урожайность, было то, что после применения большого количества богатых азотом удобрений на пшеничных полях семенная шапка на верхушке растения разрасталась до огромных размеров. Слишком тяжелая верхушка склоняла растение к земле, тем самым убивая его и делая сбор урожая проблематичной задачей. Генетику из университета Миннесоты Норману Борлоугу, работавшему на Международный центр улучшения кукурузы и пшеницы, приписывают заслугу создания высокоурожайной низкорослой пшеницы с более короткими и плотными колосками, что позволяло ей сохранять вертикальное положение и выдерживать большой вес семенной шапки. Высокие колосья малоэффективны, короткие созревают значительно быстрее, а это подразумевает более быстрый период вегетации и пониженную потребность в удобрениях.

За свои заслуги в селекции пшеницы доктор Борлоуг получил титул «Отца Зеленой революции», а также президентскую медаль свободы, золотую медаль конгресса и Нобелевскую премию мира в 1970 году. После его смерти в 2009 году в «Уолл-стрит джорнале» появились слова: «Борлоуг больше, чем какой-либо другой человек, показал, что природе не угнаться за человеческой изобретательностью, когда она пытается установить границы развития». Мечта доктора Борлоу стала явью при его жизни: высокоурожайная низкорослая пшеница действительно помогла решить проблему мирового голода – к примеру, только в Китае с 1961 по 1999 год урожай пшеницы увеличился в восемь раз.

Низкорослая пшеница в конечном счете заменила собой большинство других сортов пшеницы в США и в большей части мира благодаря своей высокой урожайности. Если верить Аллану Фрицу, ведущему курс по селекции пшеницы в Университете штата Канзас, карликовая и полукарликовая пшеница в настоящий момент составляет более 99 % пшеницы, выращиваемой во всем мире.

 

Результат – мутация

 

 

Несмотря на впечатляющие изменения генетического состава пшеницы и других злаковых культур, ученые не догадались провести испытания на безвредность новых сортов для животных и людей. Желание увеличить урожай было настолько огромным, уверенность ученых-генетиков в безопасности полученных продуктов настолько сильной, а проблема мирового голода требующей максимально быстрого решения, что введение генетически модифицированной пшеницы в человеческий рацион произошло очень быстро.

Ученые руководствовались предположением, что в результате гибридизации и скрещивания получалась, по сути, все та же «пшеница», а значит, она безвредна. Они решили, что количественное изменение содержания в зернах глютена, корректировка других ферментов и белков, направленные на увеличение выносливости и сопротивляемости растений различным болезням, не обернутся никакими неблагоприятными последствиями для людей.

Однако если обратиться к результатам исследований, подобные предположения могут оказаться ничем не обоснованными и даже в корне неверными. Сравнительный анализ белкового состава гибрида пшеницы и двух родительских растений показал, что, хотя 95 % белков, содержащихся в растении-потомке, остались теми же самыми, 5 % оказались уникальными – они не содержатся ни в одном из родительских растений. Пшеничный белок глютен, в частности, претерпел значительные структурные изменения в ходе этого процесса гибридизации. В ходе одного из экспериментов по скрещиванию в растении-отпрыске было обнаружено четырнадцать новых форм белка глютена, которые не присутствовали ни в одном из родительских растений. Более того, если сравнивать современную Triticum aestivum с видом пшеницы, который выращивали сотню лет назад, количество генов глютена, связанных с болезнью целиакией, значительно возросло.