В рамках нашего нового проекта «Капица — Резерфорд», посвященного отношениям российской и британской науки, биолог Игорь Лоскутов рассказывает ПостНауке о поиске естественных и создании искусственных морфологических признаков культурных растений.

Николай Иванович Вавилов родился в Москве в 1887 году. В 2017-м мы праздновали его 130-летие. Детство и юношество его прошло в Москве. Он окончил Московский сельскохозяйственный институт и после был распределен в Саратовский сельскохозяйственный институт профессором генетики, земледелия и некоторых других дисциплин. С 1920 года он становится заведующим отделом прикладной ботаники, который находился в то время в Петрограде. И с этого момента он начинает собирать свои коллекции, которые привели к тому, что была собрана совершенно уникальная вавиловская коллекция. В 1913 году, будучи еще на обучении в Московском сельскохозяйственном институте, он был послан на двухгодичную стажировку в зарубежные страны. Первый год он должен был стажироваться в Европе, на второй год он должен был уехать в Америку. Но, к сожалению, начинается Первая мировая война, и он возвращается в Россию. Но главной целью его поездки была Великобритания. Он очень хотел работать с Уильямом Бэтсоном.

Уильям Бэтсон в то время старейший генетик Европы и мира. Мы называем его патриархом генетики, потому что слово «генетика» было придумано Бэтсоном. Он в то время возглавлял садоводческий институт Великобритании, и Вавилов большую часть своей стажировки в Великобритании проводит именно в лаборатории Бэтсона. Кроме Бэтсона Вавилов стажируется в это время и у других специалистов, таких как Паннет, Блекман и другие. Большую часть своего времени он проводит в библиотеке Чарльза Дарвина.

Возвратившись в Россию, Вавилов воспринял идеи Бэтсона и переложил их к своему предмету изучения — это были культурные растения, коллекцию которых он стал собирать еще в Великобритании, продолжил собирать в Саратовском сельскохозяйственном институте, и, конечно, наибольших успехов он достиг, когда стал заведующим отделом прикладной ботаники.

Свой закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Николай Иванович Вавилов сформулировал и доложил на Третьем съезде селекционеров в 1920 году в Саратове. Все участники данного заседания назвали Вавилова Менделеевым в биологии. И это было понятно, так как закон гомологических рядов предсказывал: те признаки, которые мы не можем найти и увидеть у культурных или других видов растений в настоящее время, мы можем либо найти в природе, либо создать их искусственно. И в этом состояла гениальность Николая Ивановича Вавилова. На основе морфологических признаков, которые не всегда можно четко идентифицировать у растения, так как они большей частью зависят от внешних условий, Вавилов сумел найти эту связь между различными признаками, которые можно найти у различных растений.

Основные положения закона были сформулированы Николаем Ивановичем Вавиловым, и в то время они звучали так: чем ближе виды по своей генетической природе, тем ближе друг к другу их ряды наследственной изменчивости. Если мы можем найти один признак у видов одного рода, то подобные признаки мы можем найти у подобных видов этого же рода или у видов из другого рода. Например, если мы возьмем у сельскохозяйственных культур признак остистости, то увидим, что остистость есть у мягкой пшеницы, твердой пшеницы, ячменя, овса и других культур.

Вавилов подтвердил закон гомологических рядов на примере безлигульности. Безлигульность — это признак, который характеризует некоторые злаковые культуры, это место перехода листовой пластинки в листовое влагалище. На этом месте обычно формируется перетяжка. Безлигульность характеризует, что такая перетяжка у растений отсутствует. Такие безлигульные формы были найдены на Памире у пшеницы. Но Вавиловым на Кавказе была найдена безлигульная рожь. После Вавилова безлигульные формы по другим зерновым культурам были найдены практически у всех представителей этих видов, таких как кукуруза, рис, просо, сорго, уже последователями Николая Ивановича Вавилова.

Гены, которые контролируют гомологические признаки у разных видов, могут быть представлены в виде формулы. Формула — это повторяющиеся признаки, которые умножены на какой-то коэффициент: либо на видовой коэффициент, либо на родовой коэффициент, либо на семейный коэффициент этих видов. Естественно, эти признаки могут отличаться друг от друга. Гениальность Вавилова была еще и в том, что он говорил не об аналогичных, а о гомологичных признаках. Они могут проявляться, например, на разных частях растения. Так, например, ости могут быть не только на цветковых чешуях у зерновых культур, в частности, но и на колосковых. Они не являются аналогичными признаками, потому что формируются на разных частях растения. Но именно они являются гомологичными признаками, которые могут проявляться у родственных растений различных родов.

Закон гомологических рядов, который был сформулирован в 1920 году, неоднократно публиковался Николаем Ивановичем Вавиловым. Первое небольшое сообщение было опубликовано в трудах Третьего съезда селекционеров. В 1922 году выходит его статья в Великобритании. Далее она уже в расширенном масштабе появляется в «Теоретических основах селекции», которые Вавилов начинает публиковать с 1935 года.

Закон гомологических рядов, о котором мы говорим, не утратил своего значения и по нынешний день. Дело все в том, что мы говорили о генах, которые контролируют эти гомологичные признаки. Современное развитие генетики доказало, что не только эти гены контролируют гомологичные признаки, но и эти гены находятся на гомологичных участках хромосом этих родственных видов. Так, например, было доказано, что гены, которые контролируют фотопериод, находятся на гомологичных участках хромосом у пшеницы, ржи и ячменя. Также в дальнейшем эта теория была уже использована не только в генетике, но и в геномике растений. Дело все в том, что геномы сходных видов, в частности зерновых культур, имеют одинаковую структуру строения. Поэтому те гены, которые контролируют гомологичные признаки, находясь на гомологичных участках хромосом, и структура геномов этих растений имеют одинаковую структуру, и поэтому этот признак можно использовать и в настоящее время.

Сейчас он используется очень широко при использовании молекулярных маркеров в изучении селекционных или генетических проблем растений. Дело все в том, что гомологичные гены (или, как их еще называют, ортологи) — это очень важная часть изучения молекулярной структуры генотипов различных растений. Если мы определяем молекулярными маркерами какой-то ген, то мы можем определить такой же ортологичный ген (ген, который контролирует этот же признак) этими же маркерами и у другого вида растений. Для настоящего времени это очень важно.

Рекомендуем по этой теме:
8692
Генная инженерия растений

Модельным объектом для изучения генетики растений является арабидопсис. Гены, которые идентифицируются у арабидопсиса и контролируют определенные признаки, и те же молекулярные маркеры можно использовать при изучении этих же признаков на других видах растений, которые могут быть родственны арабидопсису или несколько отличаться от него. Arabidopsis thaliana — это очень удобное для генетических исследований растение. Его можно назвать дойной коровой генетики, на которой, как на дрозофиле, проводятся различные модельные эксперименты. Большинство исследований по генетике, геномике и различные исследования, связанные с растениями, начинаются на арабидопсисе.

В настоящее время этот закон работает и является основным законом не только генетики, но и геномики. Он говорит о том, что мы должны собирать на земном шаре. То есть Вавилов предрек какие-то конкретные признаки, которых мы в настоящее время не находим в природе у отдельных видов растений. Значит, мы эти формы, которые обладают такими признаками, можем либо собирать в природе, либо создавать искусственно генетическими или биотехнологическими методами.