Междисциплинарные подходы для решения задач селекции и генетики растений: к юбилею академика Н.А. Колчанова

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Николай Александрович Колчанов, академик РАН, профессор, доктор биологических наук, 75-летие которого мы празднуем в 2022 г., известен в первую очередь как основатель российской биоинформатики и системной компьютерной биологии, признанный специалист мирового уровня в этом направлении. В число широко используемых достижений Н.А. Колчанова входят разработка и развитие баз данных по регуляции транскрипции [1, 2], инструменты для in silico реконструкции трехмерной структуры белковых последовательностей на основе информации о первичной структуре кодирующих последовательностей [3, 4], инструменты для анализа и реконструкции генных сетей [5, 6].

Отличительные особенности стратегии, выбранной академиком Колчановым в отношении фундаментальных и практических задач, — это комплексный взгляд на проблему и умение сформировать междисциплинарную команду для ее решения. Н.А. Колчанов является автором/соавтором множества научных работ по разным отраслям знаний (рис. 1).

 

Рис. 1. Распределение публикаций Н.А. Колчанова по отраслям знаний (по версии Web of Science). Доступ по ссылке: https://www.webofscience.com/wos/woscc/basic-search. Дата обращения: 31.12.2021

 

Генетические технологии и генетические ресурсы — как рождались современные программы

Сегодня, когда бурно развиваются генетические технологии, и это направление получило ощутимую поддержку в нашей стране с момента издания Указа Президента Российской Федерации № 680 «О развитии генетических технологий в Российской Федерации» от 28 ноября 2018 г., и разработки и реализации в соответствии с данным указом Федеральной научно-технической программы (ФНТП) развития генетических технологий на 2019–2027 гг. (утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 22 апреля 2019 г. № 479), нужно вспомнить и о том, что еще в 2014 г. в преддверии создания первых в стране федеральных исследовательских центров под руководством академика Н.А. Колчанова была разработана и представлена комплексная программа «Генетические технологии», как стратегия развития Института цитологии и генетики СО РАН, директором которого он был на тот момент. Вскоре институт был реорганизован в Федеральный исследовательский центр (ФИЦ) путем присоединения Сибирского НИИ растениеводства и селекции. Позже у Центра появились еще 2 филиала в сфере медицинских наук [7]. Сегодня Николай Александрович Колчанов является научным руководителем Федерального исследовательского центра «Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук» (ИЦиГ СО РАН), а заложенная им в основу развития Центра программа «Генетические технологии» активно реализуется по нескольким направлениям. В итоге, фундаментальные направления института (генетика растений, генетика животных, генетика человека) после его реорганизации в ФИЦ «приросли» звеном внедрения. Благодаря реализации программы развития, наряду с прорывными фундаментальными исследованиями, в ФИЦ получили приоритет работы полного цикла. Часть направлений, связанных с внедрением генетических технологий в селекционную практику и с развитием промышленной микробиологии, реализуются сегодня в рамках Центра геномных исследований мирового уровня «Курчатовский геномный центр», в консорциуме по организации которого участвует ИЦиГ СО РАН [8].

В Федеральной научно-технической программе развития генетических технологий на 2019–2027 гг. отдельное внимание уделено биоресурсным коллекциям (БРК). Восприятие значимости биоресурсных коллекций для современных геномных и генетических исследований, для развития генетических технологий изначально сформировалось в стенах самих научных институтов — держателях коллекций генетических ресурсов по самым разным направлениям: микроорганизмы, культуры клеток человека и животных, биологические материалы человека, генетические ресурсы культурных растений, сельскохозяйственные животные и др. Понимание ценности биоресурсных коллекций, в том числе и для перехода на новый технологический уклад, связанный с развитием биоэкономики, вышло за пределы научных институтов и получило широкое распространение и в обществе, благодаря, в том числе, результатам системной работы по вопросам биоресурсных коллекций, проводимой рабочей группой по поддержке и развитию биоресурсных коллекций секции «Науки о жизни» Научно-координационного совета при Федеральном агентстве научных организаций (ФАНО) России. Возглавлял рабочую группу академик Н.А. Колчанов. В целях формирования единых подходов к рациональному использованию действующих биоресурсных коллекций рабочая группа разработала первичные описательные форматы основных типов биоресурсных коллекций [9]. Затем информацию о БРК институты ФАНО России вводили в две Интернет-системы: в систему сводной отчетности «Парус» и на сайт Центров коллективного пользования научным оборудованием (ЦКП) и уникальных научных установок (УНУ) Минобрнауки России [10]. Однако эти информационные ресурсы не были предназначены для детального описания БРК, необходимого для их рейтингования. В связи с этим, для того чтобы дать держателям коллекций возможность детального представления информации о БРК, а также для ведения документооборота по ним, под руководством Н.А. Колчанова в ИЦиГ СО РАН была разработана первая версия специализированного информационного портала БРК [11, 12]. На конец 2018 г. на портале было зарегистрировано 252 коллекции, держателями которых являются научно-исследовательские организации, подведомственные Минобрнауки России [13].

Результатом системной работы по вопросам БРК в рамках деятельности рабочей группы, а затем и ФНТП развития генетических технологий стала поддержка соответственно в 2017 г. — 65 коллекций, а в 2021 г. — 15 крупных проектов, охватывающих деятельность не менее 30 значимых коллекций. Ожидаемый результат этих проектов, продолжающихся в 2022–2023 гг., — совершенствование стандартов и развитие функций данных коллекций, развитие информационной инфраструктуры, повышение доступности и востребованности образцов и всесторонней их характеризации, включая генотипирование [14]. Следующий этап — интеграция коллекций одинакового типа по сетевому принципу организации под эгидой создаваемых крупных биоресурсных центров. Первый пилотный проект по созданию такого центра уже реализуется в рамках Указов Президента Российской Федерации № 44 «О Национальном центре генетических ресурсов растений» и № 45 «О Межведомственной комиссии по вопросам формирования, сохранения и использования коллекций генетических ресурсов растений» от 8 февраля 2022 г. [15].

Междисциплинарный комплексный подход к решению задач растениеводства

В последние годы академик Н.А. Колчанов вместе со своими соратниками и учениками уделяет особое внимание системному практико-ориентированному подходу в области генетики, геномики и биоинформатики растений (рис. 2). О перспективе использования цифровых и генетических технологий в селекции растений Н.А. Колчанов подробно рассказал на научной сессии общего собрания Президиума РАН в октябре 2016 г. [16] (рис. 2).

 

Рис. 2. Динамика публикационной активности ИЦиГ СО РАН по направлению биоинформатики растений (а) и индивидуальный авторский вклад в эту публикационную активность (b): поиск в базе данных Scopus по алгоритму AF-ID (Institute of Cytology and Genetics Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 60068684) AND ( ( plant ) ) AND ( bioinformatics ). Доступ по ссылке: https://www.scopus.com/. Дата обращения: 29.12.2021

 

Широкую известность в этой области приобрели выполняемые при поддержке и участии Н.А. Колчанова работы по математическому моделированию процессов, связанных с ростом и развитием растений [17–19], по феномике растений [20]. Во время выхода этих первых публикаций [17, 18, 20] названные тренды были исключительно новыми не только в России, но и в мировой науке. Одновременно при активном содействии Н.А. Колчанова в стенах руководимого им института формировался еще один новый тренд, основанный на междисциплинарном подходе с использованием методов генетики, селекции и химии растительного сырья, — речь о применении генетических ресурсов в селекции отечественных сортов растений для целенаправленного создания сырья на промышленную наработку с акцентом на прижизненную модификацию главных возобновляемых природных органических продуктов — целлюлозы и крахмала. При непосредственном участии Н.А. Колчанова был создан и зарегистрирован сорт мискантуса Сорановский [21], растения которого способны успешно и контролируемо произрастать в условиях Сибири, практически не обедняя почву азотом, но эффективно конвертируя атмосферный углекислый газ в природный полимер целлюлозу. Плантация мискантуса Сорановского в год способна давать до 10–17 тонн с гектара лигноцеллюлозной массы, состоящей в среднем на 45 % из альфа-целлюлозы. Полученная из мискантуса целлюлоза по своим физико-химическим свойствам пригодна для использования в качестве сырья для производства бумаги, эффективных абсорбентов и прочих продуктов отечественной промышленности. Другим объектом исследований с учетом этого нового тренда стал картофель, как источник крахмала с заданными свойствами. Крахмал — один из немногих доступных в крупнотоннажных количествах возобновляемых органических продуктов. Группой авторов совместно с Н.А. Колчановым был тщательно рассмотрен потенциал крахмала как исходного сырья для одностадийного превращения в важные химические продукты для целого ряда отраслей промышленности [22]. Были также оценены гены-мишени картофеля из числа структурных и регуляторных генов биосинтеза крахмала на предмет управления при помощи селекционно-генетических технологий прижизненным формированием свойств этого незаменимого продукта и, следовательно, диверсифицировать и делать более экономичным его применение в промышленности [23].

Сегодня реализуется и имеет широкое освещение в информационном пространстве подпрограмма «Развитие селекции и семеноводства картофеля в Российской Федерации» Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017–2025 гг. (программа и подпрограмма утверждены постановлениями Правительства Российской Федерации № 996 от 25.08.2017 и № 559 от 05.05.2018 соответственно). Однако мало кто знает, что в преддверии выхода Указа Президента Российской Федерации № 350 от 21 июля 2016 г. «О мерах по реализации государственной научно-технической политики в интересах развития сельского хозяйства», давшего старт дальнейшему появлению ФНТП развития сельского хозяйства на 2017–2025 гг., уже сформировался комплексный программный проект, из которого потом выросли и ФНТП, и ее подпрограмма «Развитие селекции и семеноводства картофеля в Российской Федерации», а также целый ряд отдельных проектов фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований. Речь о Комплексной программе по развитию картофелеводства, подготовка которой была поручена академику Н.А. Колчанову в декабре 2015 г. Она включала пять групп мероприятий, охватывавших всю совокупность работ для обеспечения полной импортонезависимости производственного цикла выращивания семенного картофеля, в том числе программа подразумевала не только исследования в сфере селекции, семеноводства и разработки средств защиты, но и комплексное развитие инфраструктуры для этих исследований, разработку и опытное производство отечественного оборудования, мероприятия по трансферу технологий и стимулированию спроса на российские разработки и мероприятия по подготовке и переподготовке кадров. Целостность подхода стала одновременно сильной стороной комплексной программы, но вместе с тем такой подход опережал свое время, требуя согласованных действий сразу нескольких федеральных органов исполнительной власти, десятков подведомственных им организаций и индустрии. Только 5 лет спустя в стране были приняты значимые управленческие решения, создавшие благоприятный фон и механизмы для выполнения таких комплексных межведомственных программ. А тогда, пять лет назад, отдельные части комплексной программы были реструктурированы, и из них выросли упомянутая подпрограмма «Развитие селекции и семеноводства картофеля в Российской Федерации» ФНТП развития сельского хозяйства на 2017–2025 гг., в которой вместе с производством сконцентрировались поисковые научные исследования, тогда как фундаментальные и фундаментально-ориентированные исследования реализовались в рамках отдельных специально объявленных программах Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).

Проекты ФИЦ ИЦиГ СО РАН, вошедшие в число победителей в этих конкурсах, активизировали в Федеральном центре междисциплинарные исследования по картофелю (рис. 3). Речь о проведенных в 2016–2021 гг. исследованиях, поддержанных РФФИ № 17-29-0800 «Идентификация геномных маркеров для направленной селекции сортов картофеля с заданными свойствами крахмала для пищевой промышленности» в рамках конкурса междисциплинарных исследований, РФФИ № 17-44-540510 «Расширение генетического разнообразия генофонда картофеля по технологическим свойствам и переработке крахмала в Новосибирской области» в рамках регионального конкурса и РНФ № 16-16-04073 «Генетические маркеры хозяйственно-ценных признаков картофеля» по конкурсу 2016 г. на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» («Научные исследования в области картофелеводства», «Научные исследования в области птицеводства»). В эти проекты ФИЦ ИЦиГ СО РАН были привлечены более 10 участников до 39 лет — молодых ученых, аспирантов, студентов, что безусловно было важно в свете задачи по подготовке высоко квалифицированных кадров в сфере современной селекции и семеноводства картофеля.

 

Рис. 3. Динамика публикационной активности ИЦиГ СО РАН по исследованию картофеля (a) и распределение публикаций по отраслям знаний (b): поиск в базе данных Scopus по алгоритму AF-ID ( Institute of Cytology and Genetics Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 60068684 ) AND ( potato ). Режим доступа: https://www.scopus.com/. Дата обращения: 29.12.2021

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В подготовке Комплексной программы по развитию картофелеводства и в деятельности рабочей группы по поддержке и развитию биоресурсных коллекций под руководством академика Колчанова (рис. 4) участвовали десятки профильных организаций, несколько десятков ученых разных специальностей, которые стали дружной командой. За несколько месяцев общения и совместной работы молодые ученые и управленцы, участвовавшие в процессе, получили пример не только масштабного подхода и широты мышления, но и пример умения в большем коллективе найти подход к людям, никого не оттолкнуть, каждому найти достойное место. Равно как и со своими учениками, проработавшими рядом с ним годы, так же щедро и бескорыстно Николай Александрович делится своим опытом, знаниями и умениями с каждым новым учеником и соратником, кто неравнодушен к развитию науки и созданию практических достижений, столь необходимых нашей стране.

 

Рис. 4. Академик Н.А. Колчанов на демонстрационных посевах картофеля во время Объединенного научного мероприятия Научно-практическая конференция «Теоретические основы и прикладные исследования в селекции и семеноводстве картофеля» (31.07–01.08.2017) и «День поля: Эколого-географическое и производственное испытание новых сортов картофеля» (01.08–02.08.2017), проводимого в Новосибирске в рамках подготовки подпрограммы «Развитие селекции и семеноводства картофеля в Российской Федерации» Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017–2025 годы». (Фото любезно предоставлено В.С. Ковалем, ИЦиГ СО РАН.)

 

Среди прочих наград и званий академик Н.А. Колчанов был награжден в 2017 г. «Орденом Дружбы» за вклад в отечественную и мировую науку и ее практическое воплощение [7].

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Статья подготовлена при поддержке проекта FWNR-2022-0017 ИЦиГ СО РАН.

Об авторах

Елена Константиновна Хлесткина

Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова; Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: director@vir.nw.ru
ORCID iD: 0000-0002-8470-8254
SPIN-код: 3061-1429
Scopus Author ID: 6603368411
ResearcherId: T-2734-2017

д-р биол. наук, профессор, директор

Россия, Санкт-Петербург; Новосибирск

Вадим Камильевич Хлесткин

Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и разведения сельскохозяйственных животных — филиал Федерального исследовательского центра животноводства — ВИЖ им. акад. Л.К. Эрнста

Email: khlestkin@bionet.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0001-9605-8028
SPIN-код: 6367-2970
Scopus Author ID: 56368129500

канд. хим. наук, директор

Россия, Новосибирск; г. Пушкин, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы