CC BY
100
а НОВОСТИ НАУКИ
Банк семян в вечной мерзлоте
Принято решение о создании в г. Якутске 1-й очереди Федерального криохранилища семян культурных,редких и исчезающих видов растений, которое будет располагаться в слое многолетнемерзлых пород. Основанием для этого стали результаты многолетнего эксперимента якутских ученых по хранению семян растений в подземной мерзлотной лаборатории, стартовавшего в 1977-1978 гг.
В наше время видовое и генетическое разнообразие растительного и животного мира планеты находится под угрозой: неожиданный и невосполнимый ущерб могут нанести последствия глобальных изменений климата, а также антропогенной деятельности, такие как техногенные катастрофы. По прогнозам специалистов, уже к середине XXI в. могут практически исчезнуть или подвергнуться серьезной генетической эрозии почти четверть видов высших растений, в том числе представляющие потенциальный экономический интерес.
Существует несколько способов по долговременному сохранению генетических растительных ресурсов. Наиболее удобная для хранения часть растений - семена, которые содержат уникальный набор генов. Поэтому в первую очередь речь идет о семенных банках, где образцы хранятся в течение десятилетий - этот метод имеет значительные преимущества перед другими из-за своей простоты и низкой трудоемкости. Создание такого «генетического запаса», особенно в отношении генов, значимых для селекции, - наиболее рациональный путь сохранения биоразнообразия в практических целях.
Подобные меры по сохранению семян редких и хозяйственно важных видов культурной и дикой флоры сегодня применяются во многих странах мира - общее число семенных банков приближается к полутора тысячам. В подобных хранилищах хранятся сотни тысяч образцов семян. Так, семенные банки Франции насчитывают около 500 тыс. образцов, Китая - более 800 тыс., Индии - более 600 тыс., США - около 1 млн, Брази-
Ключевые слова: банк семян, криохранение, биоразнообразие.
Key words: seedbank, cryopreservation, biodiversity
лии - более 300 тыс. В России основным хранителем коллекции семян является санкт-петербургский Всероссийский институт растениеводства им. Н. И. Вавилова (ВИР), причем за последние 35 лет число образцов в его коллекциях сократилось почти вдвое и сейчас составляет 270 тыс.
Международный совет по генетическим ресурсам растений разработал общие стандарты хранения семенного материала, которых должны придерживаться все страны мира. Согласно этим положениям, семенной банк состоит из базовой и рабочей (действующей) коллекций, причем образцы из последней регулярно тестируются. Коллекции должны храниться в условиях, гарантирующих, что жизнеспособность (всхожесть) семян составит не менее 65 % в течение 10—20 лет хранения. Для этого перед закладкой в хранилище их высушивают до 3—7%-ной влажности и хранят при отрицательных температурах в герметичной упаковке.
Предпочтительные условия хранения для базовой коллекции - минус 180 °С и относительная влажность 5 %, однако комбинация температуры и влажности может варьировать, в том числе в зависимости от вида растения. Интересен тот факт, что зависимость между температурой и максимально возможной продолжительностью хранения семян нелинейна, поэтому экономическая выгода от снижения температуры (по крайней мере в диапазоне температур до -200 °С) уменьшается со снижением температуры хранения.
Хранение семян при низких температурах и низкой влажности позволяет сохранять жизнеспособность семян в течение десятков и даже сотен лет. Всхожесть семян проверяется через определенные промежутки времени (обычно каждые 5 лет) из образцов рабочей коллекции. При снижении всхожести получают новый образец, выращивая растения из сохранившихся семян, однако подобная регенерация коллекции - процесс длительный и дорогостоящий.
Современные хранилища генетических ресурсов растений, призванные обеспечить оптимальные условия для долговременного сохранения жизнеспособности семян являются, по сути, большими холодильными установками. Их содержание весьма затратно из-за больших расходов на электроэнергию, обслуживание
холодильных установок и регулярные пересевы семян. Например, стоимость хранения около 1 млн образцов в хранилищах Национальной системы генетических ресурсов США (15 тыс. образцов - в жидком азоте, остальные - при -18 °С) составляет ежегодно около 100 млн долл. К тому же из-за относительно низкой сейсмостойкости этого комплекса имеется реальная угроза полной или частичной потери коллекции при воздействии экстремальных внешних факторов. Вот недавний печальный пример такого рода: из-за перебоев в электроснабжении, вызванных катастрофическим цунами, обрушившимся на побережье Японии весной 2011 г., там погибла почти половина коллекции банка семян.
Эта штольня ведет в подземное криохранилище -мерзлотную лабораторию Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (Якутск), где в течение более 30 лет 7
на глубине 12 м хранятся семена растений.
Совместно с Институтом горного дела Севера им. Н. В.Черского были разработаны эффективные технологии управления температурно-влажностным режимом в камерах подземного хранилища большого объема практически только за счет рационального использования естественного холода. Поэтому такой способ длительного хранения семян отличается высокой экономичностью и независимостью от внешних источников энергии.
Фото А. Шеина
а
НОВОСТИ НАУКИ
К счастью, существует альтернатива - криохранилища, расположенные в толще многолетнемерзлых грунтов со стабильными температурами не выше -4 °С, которые обладают большой температурной инерционностью. Использование естественного холода для создания необходимых отрицательных температур совместно с системой оптимизации температурно-влажностных и газовых условий может обеспечить сверхдлительное (десятки и сотни лет) хранение семян без промежуточных пересевов. Таким способом можно в сотни раз снизить себестоимость хранения, а относительная автономия хранилища и независимость от перебоев в энергоснабжении позволят сохранить генофонд в условиях глобальных изменений климата, природных и техногенных катастроф.
Такие криохранилища оптимально размещать на севере зоны распространения сплошной и устойчивой мерзлоты. Этим требованиям отвечает, например, Северная и большая часть Центральной Якутии, где глубина вечномерзлых пород может достигать 1,5 км. Неудивительно, что предложение о создании в этом регионе криохранилища семян было выдвинуто еще в начале 1970-х гг. В.Н. Дохунаевым, сотрудником Якутского института биологии СО АН СССР (ныне - Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН).
В результате в 1977—1978 гг. в подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО АН СССР (ныне - Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН), расположенной на глубине 12 м в толще многолетнемерзлых пород, стартовал совместный эксперимент якутских ученых по длительному хранению более 10 тыс. образцов семян бобовых культур из коллекции ВИРа. Позднее туда же было помещено около 1 тыс. сортообразцов семян сельскохозяйственных культур, интродуцированных в Якутии, а также редких и исчезающих видов местных дикоросов. Других прецедентов такого длительного криохранения только за счет естественного холода в мире нет (Соломонов и др., 1984; Мокроносов и др., 1994).
Промежуточные результаты эксперимента показали, что после 33-летнего хранения семена бобовых и злаковых культур сохраняют высокую всхожесть (на уровне 90—100 %) и хорошие морфологические характеристики, а уровень хромосомных нарушений не превышает 1—2 %. Исследования показали, что во время хранения в семенах значительно падают скорости синтеза белков и интенсивность клеточного деления на фоне возросшей активности антиоксидантной защитной системы и системы репарации (восстановления) ДНК. Это свидетельствует о физиологичности процессов, протекающих в семенах растений в условиях естественного холода при температурах около -6,0 °С (более того, при -18 °С уровень хромосомных нару-
шений увеличивается в 3—4 раза). Особенно хорошие показатели продемонстрировали семена, которые хранились в герметичной таре, заполненной углекислым газом, аргоном или азотом.
Если сравнить результаты эксперимента с показателями сохранности семян аналогичных сортообразцов из коллекции ВИРа, то оказывается, что хранение семян в стандартных условиях (рефрижераторных камерах) в течение 11—13 лет привело к снижению всхожести до 50—80 % при уровне хромосомных нарушений 6—28 %. При хранении же в течение 28—30 лет все семена стали нежизнеспособными.
В 2011 г. за счет средств бюджета Республики Саха (Якутия) была начата реконструкция заброшенной шахты № 2, расположенной на территории Института мерзлотоведения. В подземной выработке такого типа за счет рационального использования естественного холода может быть реализована эффективная технология управления температурно-влажностным режимом, что позволит поддерживать температуру в оптимальном диапазоне при соблюдении микробиологической чистоты. Эту подземную выработку в дальнейшем можно легко расширить.
Здесь будет размещена 1-я очередь Федерального криохранилища семян культурных, редких и исчезающих видов растений объемом более 100 тыс. сортообразцов, а в дальнейшем семенную коллекцию планируется увеличить в 6—7 раз. Предполагается, что площадь будущего криохранилища составит 1900 м2. Сроки реализации проекта - 2013—2015 гг., ориентировочная стоимость - 180 млн руб.
В последние годы к идее создания международного криобанка семян в толще многолетней мерзлоты проявляют немалый интерес такие высокоразвитые страны, как Норвегия, Швеция, Япония и др. Так, в феврале 2008 г. в норвежском г. Свальбард на о. Шпицберген было запущено Всемирное хранилище семян с максимальной вместительностью 4,5 млн образцов. Это криохранилище в толще горы, которое еще называют Хранилищем Судного дня, расположено в сейсмически безопасной зоне на высоте 120 м над уровнем моря, что обеспечивает его безопасность даже в случае таяния полярных льдов. Здесь предполагается размещать резервные дубликаты коллекций других семенных банков: в марте 2010 г. здесь уже хранилось около полумиллиона образцов, и число их постоянно растет.
Вместе с тем следует отметить, что температуры многолетнемерзлых пород на Шпицбергене не опускаются ниже -3 °С, поэтому для достижения рекомендуемых международными экспертами отрицательных температур (-18 °С) используется энергоемкая рефрижераторная техника. Кроме того, судя по вышеприведенным
результатам, для сохранения жизнеспособности и генетической целостности семян оптимальными являются температуры от -6 до -10 °С.
В заключение следует отметить, что наши знания о хранении семян достаточно ограничены, так как большинство исследований проведено на сельскохозяйственных растениях. Необходимо более тщательно изучить и вопросы оптимизации подготовки семян к длительному хранению в природных криогенных условиях, влияние газовой среды, а также решить задачи масштабирования технологии хранения семян в толще многолетнемерзлых пород, отработанные в лабораторных условиях.
Д. б. н. Б.М. Кершенгольц, к. б. н. П. А. Ремигайло, к. б. н. Е. С. Хлебный (Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, Якутск)
В подземном криохранилище в Якутии хранится 11 тыс. образцов семян культурных и диких растений. Сотрудники лаборатории микробиологии Института химической и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) отметили высокую микробиологическую чистоту как самого хранилища, так и сохраняемых там семян. Фото А. Шеина
Литература
Мокроносов А. Т., Купцова Е. С., Попов А. С., Кузнецов В. В. Генетическая коллекция как способ сохранения биоресурсов планеты // Вестник РАН. 1994. Т. 64, № 11. С. 991—1001.
Кершенгольц Б. М., Иванов Б. И. Десяткин Р. В. и др. Использование естественного холода многолетнемерзлых пород для длительного хранения генетических ресурсов // Вестник ВОГиС. 2008. Т. 12, № 4.524—533.
Соломонов Н. Г., Алексеев В. Г., Дохунаев В. Н. О путях использования вечной мерзлоты в решении народно-хозяйственных задач //Механизмы криоповреждений и криозащиты биологических объектов: Тез. докл. II Всесоюз. конф. Харьков, 1984. Т. 2. С. 83.
