Геном кукурудзи розшифровано: що це означає для вчених і фермерів

Напевне більшість агровиробників, які нині думають про посівну, не дуже й здогадується, що відлік нової історії кукурудзи вже розпочато. Адже торік учені зробили те, про що раніше могли тільки мріяти: вони повністю розшифрували геном цієї популярної культури. І це не просто новий науковий прорив. Це та справа, яка в осяжній перспективі може змінити життя ледь чи не кожного фермера, який вирощує кукурудзу

20 років поступу

Останні два десятиліття генетики працювали з кукурудзою напрочуд плідно. Генетичні інновації у вирощуванні кукурудзи з 2004-го по 2025 рік охоплюють широкий спектр рішень: від стійкості до шкідників і гербіцидів до збільшення врожайності й адаптації до змін клімату.

До основних досягнень входять: розвиток гербіцидостійких (HT) та інсектицидостійких (Bt) гібридів, нові методи ідентифікації генів і використання сучасних технологій селекції. Також були розроблені гібриди кукурудзи, які комбінували бажані генетичні риси (stacked traits). Тобто модифіковані рослини забезпечували одночасну стійкість до гербіцидів і шкідників. У країнах, де ГМ-культури дозволено, це викликало неабиякий ажіотаж серед дослідників і фермерів.

Вінець досліджень

Проте увінчало розвиток генетичних досліджень і досягнень у цій царині повне розкриття геному культури. За цей прорив ми завдячуємо команді з Китайського сільськогосподарського університету й Університету Небраски-Лінкольн. Вони використали найновіші інструменти, такі як Oxford Nanopore і PacBio HiFi, щоб розібратися з усіма труднощами геному. Це — провідні платформи третього покоління для секвенування (читання) ДНК і РНК, які революціонізували геноміку, дозволяючи досліджувати складні геномні структури.

Інструкція для кукурудзи

Якщо говорити просто, то ге­­­ном — це щось на кшталт детальної інструкції до трактора чи комбайна, але для живих організмів. Це повний набір ДНК, де записано, як рослина має рости, цвісти чи боротися зі шкідниками. Розшифрувати геном кукурудзи — це ніби знайти детальну карту всіх її можливостей.

Завдяки цьому вчені можуть зрозуміти, куди рухатися, які кнопки натиснути чи важелі залучити, щоб кукурудза стала стійкішою до стресових чинників, давала більше врожаю чи потребувала менше води тощо. До 2024 року генетики знали тільки частину цієї карти. Тепер же вона ціла — від початку й до кінця. І це, без перебільшення, відкриває величезні перспективи для сільського господарства.

Неповний пазл

Дослідження геному кукурудзи — це не новина одного дня. Вчені почали працювати над цим ще у 2000-х роках. Тоді кукурудза здавалася справжньою загадкою: її геном великий, заплутаний, із купою повторів, які важко розібрати. 2009 року вийшла перша версія геному, але вона була схожа на пазл із пропущеними шматочками — багато прогалин і неточностей.

Геном кукурудзи — це не просто довгий список генів. У ньому понад 2 млрд пар основ (для порівняння, у людини — 3 млрд). Однак головна проблема — повторювані ділянки. Уявіть собі книгу, де одні й ті самі слова повторюються сотні разів. Спробуй тут зрозуміти, де що — і що з цим робити? Вчені навіть порівнюють геном кукурудзи з ідеальним газоном — усе однакове, і вкрай важко знайти орієнтири.

Загадковий божий дар

Така незвична будова геному навіть наводила декого з дослідників на думку, про штучне створення «першокукурудзи». Справді, у багатьох корінних народів Північної та Південної Америки кукурудза вважалася божественним даром, символом родючості й життя. Ці міфи підкреслюють ідею, що вона не могла з’явитися природним шляхом через її унікальність і значення для виживання людини.

Якщо полишити міфологію, то деякі альтернативні наукові теорії стверджують, що кукурудза була створена або модифікована позаземними цивілізаціями, оскільки її швидка еволюція від теосинте здається аномально швидкою. І крім специфічного геному кілька особливостей кукурудзи сприяють подібним уявленням.

Відсутність диких аналогів

Сучасна кукурудза не має прямих диких предків, які б мали такий самий вигляд. Теосинте, її найближчий родич, має зовсім інший вигляд.

Залежність від людини

Кукурудза не може розмножуватися без людського втручання, оскільки її зерна міцно тримаються на качані.

Генетична спільнота

Звичайно, подібні погляди відкидає поважна наукова спільнота. А перевірені наукові інструменти й технології з роками стають усе кращими. Секвенування вдосконалювалося — і вчені поступово заповнювали прогалини. Однак тільки 2024 року їм вдалося зібрати все докупи без жодного пропуску. Нагадаємо, що культура має 10 хромосом у гаплоїдному наборі. У диплоїдному стані, характерному для соматичних клітин, кукурудза має 20 хромосом. Крім основного набору в рослини можуть бути додаткові В-хромосоми, кількість яких варіює — і може досягати 20 і більше.

Ближче до поля

Тепер головне: як усе це генетичне багатство допоможе фермеру на полі? Вчені наголошують, що відповідь очевидна. Повний геном — це ключ до створення нових гібридів кукурудзи, які будуть працювати краще за старі. Серед можливих їх переваг зазначають такі:

Революція в захисті. Вчені зможуть знайти гени, які роблять кукурудзу ще стійкішою до конкурентної рослинності, набагато менш уразливою до грибних патогенів чи комах. Це означає менше обробок пестицидами. Відповідно, фермер витрачає менше коштів, часу та зусиль для отримання високоякісного врожаю. А навантаження на навколишнє середовище суттєво зменшується;

Економія води й добрив. Нові сорти зможуть рости з меншою кількістю затрачених ресурсів. Це не лише заощаджує кошти, а й зробить господарство більш екологічним;

Стійкість до погоди. Посуха, спека чи холод? На думку сучасних генетиків, кукурудза майбутнього буде готова до таких викликів;

Швидші результати. Раніше селекція була, як лотерея — багато спроб і помилок. Тепер, досконало знаючи геном, можна відразу брати потрібні гени й створювати бажані гібриди;

Ризики й обмеження. Звичайно, це дещо фантастично та занадто оптимістично. Особливо, якщо врахувати потенційні негативні наслідки. Наприклад, ту саму біобезпеку, втрату біорізноманіття, ризики появи резистентних бур’янів / патогенів / шкідників чи монополізацію насіннєвого ринку великими корпораціями. Для України чи, скажімо, країн ЄС, відіграють роль ще й жорсткі регуляторні обмеження у цій царині;

Не-ГМ селекція. Однак розшифрування геному кукурудзи відкриває широкі можливості для вдосконалення гібридів цієї культури навіть без застосування генетично модифікованих організмів. Не-ГМ селекція, до якої входять традиційні та сучасні методи, такі як маркер-асоційована селекція (MAS), геномна селекція (GS) та редагування генів (якщо воно не класифікується як ГМО в певних юрисдикціях), може значно виграти від повного знання геному.

Тобто цілковите знання геному також значно посилює не-ГМ селекцію, надаючи інструменти для точного відбору рослин із бажаними ознаками: стійкість до стресів, економія ресурсів, покращена якість зерна тощо.

Степан Коцький