Немного о перспективах генной модификации чая, инновационных методах селекции и о природных разновидностях чайных растений с пониженным содержанием кофеина
Мы периодически разбираем «научные доказательства» полезности чая, и может показаться, что учёные занимаются только притягиванием за уши того, что может сойти за такие доказательства, в расчёте на самых наивных и доверчивых, а также на гранты от тех, кто пользуется этой наивностью и доверчивостью (прекрасный пример — https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_21246 ). Но это было бы несправедливо: не вся наука сводится к обслуживанию маркетинга. И результаты некоторых изысканий действительно впечатляют.
В 2019 г. в журнале Nature был опубликован обзор работ в области геномики, генной инженерии и т.п., касающихся чая, ознакомиться с его текстом можно здесь — https://www.nature.com/articles/d41586-019-00400-w , а ниже я вкратце перескажу его содержание с небольшими дополнениями и комментариями.
Сформированная псевдоэкологической пропагандой антипатия к генетически модифицированным продуктом питания, к огромной досаде, не позволяет широко использовать достижения современной науки в массовом производстве чая. Но это не значит, что их нет. В надежде, что разум когда-нибудь возобладает, учёные разрабатывают и совершенствуют технологии генетического модифицирования.
Так, ещё в первой половине 2000-х Амита Бхаттачарья из Института технологий гималайских биоресурсов (Палампур, Индия) с соавторами использовала оптимизированную технологию генной пушки, а также агробактер-опосредованную трансформацию для получения трансгенного чая (см. https://www.researchgate.net/publication/259347183_Tr.. , https://repository.up.ac.za/bitstream/handle/2263/840.. ).
Генная пушка – метод, восхитительный в своей варварской прямолинейности, это пушка в буквальном смысле слова, только с очень маленькими снарядами. Картечь, которой она стреляет по растительным клеткам – частицы тяжёлых металлов (вольфрама, золота или серебра), покрытые генетическим материалом, плазмидной ДНК, которую мы хотим внести в клетку. Это ещё называется биобаллистикой или просто биолистикой. Часть клеток при этом разрушается и погибает, но часть претерпевает трансформацию – инородная ДНК встраивается в ядро или органеллы клеток и начинает функционировать.
А агробактер – группа бактерий с высокой способностью к горизонтальному переносу генов, это безмозглые, но очень активные природные генные инженеры, то, до чего люди додумались только в последние десятилетия, агробактерии делают уже миллионы лет. У них есть плазмиды, которые внедряются в геном клеток растений и вызывают синтез нестандартных аминокислот, растительных гормонов и некоторых веществ, обеспечивающих бактериям источник углерода и азота. Часто это приводит к образованию опухолей-галлов на корнях растений, но бывает и так, что растения благодаря вмешательству агробактерий приобретают новые свойства – в том числе привлекательные для человека. Классический пример – батат, сладкий картофель: все культивируемые человеком разновидности батата трансформированы агробактериями, а не трансформированные дикие разновидности – невкусные. А недавно выяснилось, что масштабы деятельности агробактерий гораздо шире, чем считалось ранее. Так, к природно-трансгенным растениям относятся бананы, клюква, арахис, помело, грецкие орехи и – та-дам! – чай (см. https://www.forbes.com/sites/stevensalzberg/2020/01/2.. , https://english.spbu.ru/news/3252-geneticists-have-fo.. ). Если вы боитесь ГМО, у меня для вас плохие новости: весь чай – это ГМО, только модифицирован он не человеком, а удивительно изобретательными микроорганизмами.
Но на то мы и венец эволюции, чтобы поставить низшие формы жизни себе на службу. Учёные уже давно научились заменять генетический материал в плазмидах агробактерий на тот, который интересен человеку. Благодаря этой технологии были созданы такие генно-модифицированные сельхозкультуры, как соя, хлопок, кукуруза, пшеница, сахарная свёкла и др.
Так вот, исследователи из Института технологий гималайских биоресурсов смогли с помощью этих методов ввести в чайные растения ряд генов. Часть из них – маркерные, они бесполезны для растения и человека, но их наличие легко обнаружить и убедиться, что трансформация прошла успешно (роль маркерных генов в генной инженерии могут играть, например, бактериальные гены устойчивости к антибиотикам. Их добавляют в нагрузку к целевым генам, а потом заливают культуру клеток антибиотиком – и остаются только клетки, претерпевшие трансформацию, с ними и продолжается работа). А другая часть – потенциально полезные, в частности, ген, ответственный за синтез осмотина, одного из растительных белков стрессового ответа, его выработка может сделать растение более устойчивым к неблагоприятным факторам внешней среды. Коллектив Амиты Бхаттачарьи запатентовал свою технологию (см. https://patents.google.com/patent/WO2003062434A2/en ), и уже двадцать лет существует чай, генетически модифицированный не только агробактериями, но и людьми – но только как опытный образец. В чайной индустрии эта технология до сих пор не применяется. Ведь ГМО – это страшно, гроб, гроб, кладбище.
То же касается и разработок Мисако Като из Университета Отяномидзу (Токио, Япония) и группы из Хунаньского сельскохозяйственного университета (Чанша, КНР), относящихся к концу 2010-х. Тут использовались более продвинутые технологии – в частности, метод CRISPR-Cas9, позволяющий редактировать гены с недоступной ранее точностью и скоростью, за что его создатели были удостоены в 2020 г. Нобелевской премии (вот тут очень понятная и увлекательная статья о CRISPR-Cas9 — https://habr.com/ru/company/leader-id/blog/538374/ ). Мишенью для токийских и хунаньских учёных был ген, кодирующий кофеинсинтазу (механизма синтеза кофеина в чайных растениях мы касались в последней части поста https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_10034 ).
Почему чуть ли не первое, что хотят сделать ген-дизайнеры с чайным растением – выключение синтеза кофеина? Хотя стимулирующие действие кофеина и является главной причиной мировой популярности чая и кофе, побочные эффекты ограничивают употребление чая, а значит, как удовольствие, так и гипотетическую пользу, которую он мог бы принести, ведь она, по современным представлениям, связана не с кофеином, а с полифенолами и аминокислотами. Люди с артериальной гипертензией, хроническим гастритом и язвенной болезнью желудка, проблемами со сном и т.д. вынуждены отказываться от чая или использовать декофеинизированный чай. Но удаление кофеина из чая при помощи обработки паром, дихлорметаном, этилацетатом или углекислым газом, как правило, не лучшим образом сказывается на его вкусе и аромате. И к высококлассному чаю такое издевательство обычно не применяется. Создание чая, отличающегося от обычного только отсутствием кофеина и сохранившего при этом все прочие достоинства, было бы огромным благом – и самый важный шаг в этом направлении уже сделан! Но мы же помним: ГМО – это ужас и кошмар, и неведомые беды обрушатся на человечество, если оно наконец перестанет слушать мракобесов…
В создавшихся условиях учёным приходится искать альтернативные варианты, которым общественное мнение, а лучше сказать, недомыслие не препятствует. Что очень обидно. Но в этом есть и плюс, потому что на этих обходных путях возможны неожиданные находки.
Зено Апостолидес, биохимик, возглавляющий Лабораторию исследований чая в Университете Претории (ЮАР), планирует совместно с сотрудниками Научно-исследовательского института чая в Керичо (Кения) изучить 10-20 тысяч образцов чайных растений из Восточно-Африканской рифтовой долины. По его оценкам, мутант с пониженной выработкой кофеина может быть найден в течение 1-3 лет.
А вот в Китае такие разновидности чайных растений уже обнаружены. Профессор Чжан Хунда из Университета Чжуншань имени Сунь Ятсена (Гуанчжоу) ещё в 1981 г. описал чайное дерево, найденное в горах Нанькуньшань, которые называют «изумрудом на тропике Рака», в уезде Лунмэнь городского округа Хуэйчжоу провинции Гуандун. Почки этого дерева практически не содержали кофеина. Исследовательская и селекционная работа с этим материалом привела в 2008 г. к созданию т.н. Кэкэ Ча (可可茶) – «какао-чая» (название связано с высоким содержанием теобромина, которым богаты какао-бобы. Кофеин в чайных растениях синтезируется из теобромина, и при нарушении на последней стадии этого метаболического пути теобромин, естественно, накапливается). Подробнее об этом писала Анастасия Офицерова – см. https://teawall.ru/ke-ke-cha-可可茶.. или https://www.tea-terra.ru/2020/02/27/34058/ . Но в продвижении этой многообещающей находки есть трудности. Дело в том, что Кэкэ Ча относится не к Camellia sinensis, а к Camellia ptilophylla, и у него довольно специфический вкус и аромат. Это совсем не то, что знакомый и желанный чай, в котором один алкалоид заменён на другой.
Гораздо больше шансов занять видное место на рынке у открытого в 2018 г. Хунъя Ча (洪崖茶, встречаются также другие варианты записи) – см. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30303011/ , https://www.gwern.net/docs/tea/2018-jin.pdf , http://www.sci-news.com/biology/hongyacha-caffeine-fr.. . Эта разновидность дикорастущих чайных растений найдена в южной части Фуцзяни, ареал её распространения – всего несколько деревень, и их жители приписывают Хунъя Ча целебные свойства. Хунъя Ча – Camellia sinensis, но с мутацией в гене кофеинсинтазы и необычным набором полифенолов. Группа учёных из Научно-исследовательского института чая Китайской академии сельскохозяйственных наук установила, что в отличие от обычного чая, в котором преобладают цис-катехины, Хунъя Ча содержит преимущественно транс-катехины; в нём также есть ряд новых соединений флавоноидного ряда – галлокатехин-(4→8)-галлокатехин, 1,3,4,6-тетра-O-галлоил-β-D-глюкопираноза и (-)-галлокатехин-3,5-ди-О-галлат; теобромина много, а кофеин практически отсутствует, что вкупе с нормальной, как я понимаю, вкусоароматикой делает Хунъя Ча потенциальным хитом. На улице жаворонков, которых даже небольшие количества чая сильно выводят из равновесия, праздник, а ценители наиболее грубых форм «чайной ци» могут почувствовать угрозу, нависшую над их удовольствиями.
Но после того, как чайное растение с нужными свойствами найдено, проходит много времени, прежде чем новый чай может выйти на рынок. Чайным растениям требуется не менее 3-5 лет, чтобы вырасти и дать семена, и нужно как минимум несколько поколений селекции. Поэтому такая работа занимает до 25 лет и более – Кэкэ Ча тому пример.
Однако Махасен Ранатунга и его коллеги из Научно-исследовательского института чая Шри-Ланки в Талавакеле научились проводить оценку чайных растений на ранних стадиях развития, культивируя их в лабораторных условиях и анализируя метаболические маркеры. Например, высокий уровень эпикатехина и низкий уровень эпигаллокатехингаллата ассоциирован с устойчивостью к пузырчатой гнили чайных листьев, вызываемой микроскопическим грибом Exobasidium vexans и наносящей большой урон чайным плантациям. Благодаря этому сроки селекционной работы могут быть сокращены, как минимум, на несколько лет.
Команда Жаклин Жерве-Хейг из Калфорнийского университета выращивает 30 сортов чая на семи участках с различным ландшафтом, чтобы понять связь между условиями роста и качеством чая. А чтобы изучить, за счёт чего реализуется эта связь, калифорнийские исследователи используют подкормки с веществами-маркерами, отслеживая таким образом метаболические процессы в чайных растениях и их взаимодействие с почвенными микроорганизмами. Когда выяснится, какие сорта лучше чувствуют себя в тех или иных условиях, будет видна и биохимическая подоплёка этого.
Ещё больше возможностей для увеличения эффективности чайной селекции открывает геномный подход. Во второй половине 2010-х сотрудники Куньминского института ботаники Китайской академии наук и Аньхойского сельскохозяйственного университета полностью расшифровали и опубликовали геном двух главных разновидностей чайных растений (в Куньмине — ассамики, в Хэфэе – синенсиса), а учёные из ЮАР выявили участки генома, связанные с уровнем кофеина, содержанием антиоксидантов, вкусоароматических веществ, устойчивостью чайных растений к засухе.
И такие исследования уже находят прикладное применение. Фумия Танигути и его коллеги из Института фруктовых деревьев и чая в Макурадзаки использовали ДНК-селекцию для выведения нового сорта, который получил название Наньмэй, и при полевых испытаниях он продемонстрировал высокую устойчивость к грибковым болезням и насекомым-вредителям, а также более высокую урожайность по сравнению с самым популярным японским культиваром Ябукита.
23 февраля 2022 г.
Источник: Самая домашняя чайная «Сова и Панда» https://vk.com/club47905050
Антон Дмитращук https://vk.com/id183549038