Осенью в «Сириусе» проходила образовательная программа «Агробиология и генетика растений» под руководством преподавателей Санкт-Петербургского государственного университета и ведущих специалистов Университета «Сириус». Она была посвящена различным аспектам генной инженерии растений. Сегодня это передовой метод для формирования у культур нужных признаков и адаптаций к разным условиям. Современные инструменты, применяемые селекционерами, позволят эффективно заниматься сельским хозяйством с минимальными экологическими рисками. В теоретической части программы участники познакомились с такими понятиями, как биотехнологии растений, геномика, метаболическая инженерия, и многими другими. В практической части ребята под руководством наставников занимались исследовательскими проектами.
Так, одна из групп работала над усовершенствованием бобовых культур. Этим проектом руководила старший научный сотрудник кафедры генетики и биотехнологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, старший научный сотрудник Университета «Сириус» Варвара Творогова.
Для создания новых сортов, устойчивых к неблагоприятным условиям, применяются векторы – молекулы ДНК, которые используются для переноса нужных генов в клетки растений. Есть несколько способов доставки такой информации в растения. Один их них – использование агробактерий. В рамках эксперимента школьники клонировали ген резистентности к гигромицину – антибиотику, вырабатываемому бактерией Streptomyces hygroscopicus. Этот ген вместе с какими-либо важными для растения генами может быть введен в растения с помощью агробактериальной трансформации – технологии, которая позволяет переносить гены в растения. Ген резистентности вводится в растение для отбора организмов, которые содержат нужную нам трансгенную вставку. Таким образом, его можно использовать для создания новых сортов с улучшенными характеристиками.
«В рамках проекта мы познакомились с ключевыми методами генной инженерии: ПЦР, рестрикцией, лигированием, трансформацией бактерий. Мы получали ДНК, колонии бактерий, анализировали их и делали выводы о функциональности нашего вектора. Глобально наш проект посвящен модификации бобовых для того, чтобы сделать эту культуру более устойчивой к разным климатическим условиям», – говорит 11-классник из Санкт-Петербурга Никита Виноградов.
Второй проект был посвящен изучению арбускулярных микоризных грибов. Это особые виды микобионтов, которые образуют симбиоз с корнями растений. Такие грибы помогают растениям получать питательные вещества из почвы и защищают их от болезней и других неблагоприятных факторов. Однако если речь идет о сорных растениях, такой симбиоз способствует их большему распространению и может нанести вред сельскому хозяйству. В рамках проекта школьникам нужно было исследовать, влияют ли микоризные грибы на распространение амброзии и одуванчиков. Эксперимент проводили на территории кампуса Образовательного центра «Сириус». Участники, применяя разные методы, изучали корневые системы сорных растений и выясняли, образуются ли внутри растительных тканей грибные структуры. Работа велась под руководством ведущего научного сотрудника кафедры генетики и биотехнологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета Софьи Сокорновой.
«Часто сорнякам, таким, как полынь, осот и амброзия, помогают успешно распространяться именно микоризные грибы. В рамках проекта мы проводили различные молекулярные и микробиологические исследования, чтобы получить комплексный результат. Также мы решили приготовить микроскопические препараты корней, чтобы проверить, есть ли там грибы, находящиеся в симбиозе с растениями. Если говорить в целом о перспективах нашего исследования, то такие работы позволят фермерам находить наиболее оптимальные методы борьбы с сорными растениями. Это актуально и для сельскохозяйственных культур, и для декоративных растений», – рассказывают участницы проекта Вера Михайлова из Санкт-Петербурга и Олеся Бондаренко из Симферополя.
В рамках проекта школьники смогли сделать предварительные выводы, что микоризные грибы способствуют распространению амброзии и полыни.
Участники одной из подгрупп осуществили поиск полиморфных молекулярных маркеров между двумя линиями ржи посевной, которые по-разному реагируют на заражение листовой ржавчиной (Puccinia triticina Erikss). Курировала проект научный сотрудник кафедры генетики и биотехнологии биологического факультета Санкт-Петербургского университета Наталья Цветкова.
Ребята получили сведения о принципах генетического анализа и оригинальном подходе, позволяющем изучать нехозяйскую устойчивость к бурой ржавчине пшеницы – то есть способность растения противостоять болезни. В процессе проекта школьников познакомили с приемами работы с однодольными растениями для получения гибридного материала. Практическим результатом стало выявление пяти кодоминантных CAPS-маркеров из 17, взятых в анализ. Полученные данные позволят пригодятся при генотипировании растений в расщепляющихся потомствах с целью установления хромосомной локализации генетических факторов устойчивости инбредной линии озимой ржи L371 к листовой ржавчине пшеницы.
«До этой программы я изучала биологию, но у меня не было опыта работы в лаборатории. Здесь я научилась ставить ПЦР, познакомилась с методом электрофореза, впервые делала рестрикцию. Мне было очень интересно поработать руками. Все эти навыки необходимы любому ученому и исследованию, вне зависимости от того, какое направление развития он выберет», – поделилась 10-классница из Петрозаводска Полина Зайцева.
Еще один проект был связан с изучением бобово-ризобиального симбиоза. Бактерии ризобии развиваются в корнях бобовых растений и помогают им усваивать азот из воздуха. Они образуют симбиоз с растениями, обеспечивая им необходимые питательные вещества. В рамках проекта команда изучала механизмы контроля численности таких симбиотических клубеньков. Растениям важно обеспечить оптимальное количество симбиотических клубеньков, необходимых для эффективного симбиоза. Если количество клубеньков слишком велико, растение будет тратить значительную часть ресурсов на их развитие, что может привести к снижению урожайности растений. Если же их слишком мало, то растения могут испытывать недостаток в азоте, что тоже негативно скажется на их развитии. Школьники работали в лаборатории под руководством старшего научного сотрудника кафедры генетики и биотехнологии биологического факультета СПбГУ, старшего научного сотрудника Университета «Сириус» Марией Лебедевой.
«Исследование механизмов численности таких клубеньков – один из ключевых показателей того, как бобовые растения формируют симбиоз с ризобиями. В перспективе это может улучшить показатели урожайности даже в условиях пониженного содержания азота в почве. Я впервые приехал на программу по генетике растений. На проекте я получил большой опыт работы по выделению ДНК, научился ставить ПЦР, делать электрофорез. Раньше более углубленно изучал химию и физику. Поэтому здесь меня ждало действительно много открытий», – рассказал 11-классник Станислав Лешкович из Нижнего Новгорода.
Еще два проекта были посвящены биоинформатике. Их особенность в том, что ребята работают не в лабораториях, а в научных классах. Такие задачи требуют междисциплинарного подхода – знаний генетики и компьютерных наук. В рамках одного из таких проектов школьники изучали гены, которые задействованы в синтезе опинов, участвующих в обмене веществ у бактерий.
Гены опин-синтаз присутствуют у бактерий рода Rhizobium, но могут попасть и в ДНК растений в результате горизонтального переноса генов – процесса, при котором генетическая информация передается организму-непотомку. Чтобы выявить случаи горизонтального переноса, школьники учились работать с базами генетических данных и строить филогенетические деревья – графические изображения, иллюстрирующие связи между различными видами организмов на основе анализа их генов.
«Биоинформатика – это активно развивающаяся область, позволяющая решать сложные вычислительные задачи в биологии. Используя ее инструментарий, мы вместе со школьниками смогли обнаружить несколько случаев горизонтального переноса генов между разными царствами живых организмов», – рассказал об итогах проекта младший научный сотрудник кафедры генетики и биотехнологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета Петр Журбенко.
.jpg)
С биоинформатикой был связан проект и по изучению клубнеобразования картофеля. Участники исследовали, какие именно механизмы управляют этим процессом. В работе ребята использовали биоинформатические методы и специальные компьютерные программы с базами данных о том, какие гены активируются или дезактивируются в разных условиях выращивания картофеля, например, при разном содержании азота в почве. Зная эти регуляторы, ученые смогут управлять ростом картофеля, чтобы культура могла развиваться и при нехватке воды или азота. Данный проект курировала научный сотрудник кафедры генетики и биотехнологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета Мария Ганчева.
«У нас необычный проект, который полностью реализуется не в лаборатории, а в удаленном формате. Мы искали в геномах растений нужные нам кусочки генов, которые, предположительно, могут помочь нам в дальнейшей селекции. Я занимаюсь экологией, биологией и генетикой, а благодаря программе впервые погрузилась в работу с базами данных и начала осваивать информатические методы. Современному ученому очень полезно знать все эти инструменты, чтобы идти в ногу со временем и работать действительно эффективно», – поделилась впечатлениями участница проекта Камилла Абдисова из Уфы.
Результаты работы все группы представили на итоговой конференции в конце программы.
